24강 변압기의 부하 특성과 냉각 요약

변압기의 부하 특성

1. 전압 변동률
   • 변압기에서 정격 전압과 무부하 전압 간의 차이를 나타내는 비율이다.

     

     
     
     
2. 전압 강하 (Voltage Drop)
   • 전기 회로에서 전류가 흐를 때 저항 또는 임피던스 때문에 전압이 감소하는 현상을 의미한다.

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3. 리액턴스 (Reactance)
   • 교류 회로에서 전류와 전압 사이의 위상 차이를 발생시키는 성분이다.
   • 유도성 리액턴스 (Inductive Reactance, (X_L))
     • 코일이나 인덕터가 전류의 흐름을 방해하는 성질이다.

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   • 용량성 리액턴스 (Capacitive Reactance, (X_C))
     • 콘덴서가 전류의 흐름을 방해하는 성질이다.

     • 

4. 백분율 전압 강하
   • 저항 강하와 리액턴스 강하로 구분된다.
   •  

변압기의 냉각 방식

1. 자연 냉각
   • 소형 변압기에서 사용되며, 추가적인 냉각 장치 없이 자연적으로 냉각된다.
2. 유입 냉각
   • 변압기 내부에 절연유를 넣어 열을 산시키는 방식이다.
   • 유입 풍랭식: 기름을 사용하여 바람으로 냉각.
   • 유입 수냉식: 기름과 물을 사용하여 냉각.
3. 콘서베이터와 브리더
   • 변압기의 열화 방지를 위한 장치들이다.
   • 콘서베이터: 절연유 열화방지장치. 변압기의 오일 레벨을 유지하고, 내부 압력을 일정하게 유지하는 역할.
   • 브리더: 공기 중 습기를 제거하는 역할을 함.

변압기의 이상 검출 방법

1. 계전기
   • 변압기의 기계적 이상을 검출한다.
2. 비율 차동계전기
   • 변압기의 전기적 이상을 검출하며, 변압기의 비율 차이를 감지하여 이상을 검출한다.

변압기 절연유의 조건

연습 문제 예시 및 풀이

1. 전압 변동률 계산
   • 주어진 % 저항 강하와 % 리액턴스 강하, 역률을 통해 전압 변동률을 계산하는 문제이다.
   • 예: % 저항 강하가 2%, % 리액턴스 강하가 3%, 역률이 0.8일 때 전압 변동률을 계산한다.
   • 풀이:

     

2. 비율 차동계전기 문제
   • 변압기의 비율 차이를 감지하여 이상을 검출하는 비율 차동계전기 관련 문제이다.
   • 예: 전압 변동률이 주어졌을 때 퍼센트 저항 강하를 계산하는 문제.
   • 풀이:

주요 개념

1. 효율의 정의
   • 실측 효율: 실제로 측정한 효율로, 입력분의 출력으로 나타낸다.

     

   • 규약 효율: 표준화된 조건 하에서 측정한 효율로, 발전기와 변압기의 경우 출력 플러스 손실분의 출력으로 계산한다.

     

     여기서 '출력 + 손실'이 분모에 오는 이유는 변압기 내에서 발생하는 총 에너지를 고려하기 때문이다. 변압기에서 발생하는 총 에너지는 출력 에너지와 손실 에너지의 합으로 표현할 수 있다. 이는 변압기가 입력 에너지를 통해 발생시키는 모든 에너지를 나타낸다.
     
     즉, 출력 + 손실 = 입력인 것이다. 손실 에너지를 포함하여 총 에너지를 계산함으로써, 변압기의 실제 동작 상태에서의 효율을 보다 명확히 나타낼 수 있다.
     
     
2. 손실의 종류
   • 고정 손실: 부하의 크기와 관계없이 발생하는 손실로, 주로 철에서 발생한다.
     • 히스테리시스 손실: 자기장 변화에 의해 발생하는 손실로, 자기 이력 곡선의 면적으로 설명된다.
     • 와류 손실: 교류 전류가 철심을 통과할 때 발생하는 소용돌이 전류에 의해 발생하는 손실이다.

       

       
       
       
   • 가변 손실: 부하의 크기에 따라 변하는 손실로, 주로 동손에서 발생한다.
3. 손실 감소 방법
   • 규소 강판 사용: 히스테리시스 손실을 줄이기 위해 철 대신 규소 강판을 사용한다.
   • 성층 철심 사용: 와류 손실을 줄이기 위해 얇은 철판을 여러 겹 쌓아 철심을 만든다.
4. 효율 극대화
   • 변압기의 효율은 고정 손실과 가변 손실이 같을 때 최대가 된다.

자주나오는 문제 정리

1. 변압기의 정격 1차 전압
   • 2차 전압에 권수비를 곱한 값이다.
     • 1차 전압 = 2차 전압 x 권수
2. 변압기의 규약 효율
   • 출력 + 손실(입력)분의 출력으로 계산한다.

     

     
     
     
3. 손실에 해당되지 않는 것
   • 기계 손실은 변압기에는 해당되지 않으며, 회전하는 기기에서 발생한다.
4. 손실 계산
   • 효율이 80%인 경우, 출력이 10kW라면 손실은 2.5kW이다.

     

5. 무부하 손실의 대부분 = 철손이 차지
6. 표유 부하 손실
   • 계산으로 구할 수 없는 손실로, 부하 전류가 흐를 때 도체 또는 철심 내부에 생기는 손실이다.
7. 주파수와 철손
   • 주파수가 상승하면 히스테리시스 손실이 증가하지만, 전압이 일정하면 최대 자속 밀도가 감소하여 철손은 감소한다.
8. 히스테리시스 곡선
   • 종축과 만나는 점은 잔류자기, 횡축과 만나는 점은 보자력이다. 종잔횡보.
9. 성층 철심
   • 철심을 성층하는 이유는 와류 손실을 줄이기 위해서이다.
10. 규소강판 사용 이유
    • 히스테리시스 손실을 줄이기 위해서이다.
11. 와류 손실에서 철심의 두께
    • 철심의 두께를 두 배로 하면 와류 손실은 4배가 된다. 와류 손실을 구하는 공식에서 철심의 두께의 제곱과 비례하기 때문.

변압기의 원리와 구조

1. 변압기의 정의 및 기능

• 변압기: 전압을 변환시키는 기계.
  • 전원을 입력받아 전압을 올리거나 내리는 역할.
  • 전압만 변환시키는 것이 특징.

2. 변압기의 작동 원리

• 전자 유도 작용: 변압기의 기본 원리.
  • 코일에 전기를 흘려 자기장을 생성.
  • 이 자기장이 다른 코일에 유도 전류를 발생시킴.
  • 1차측 코일과 2차측 코일의 감은 횟수(권수)에 따라 전압이 변환됨.

3. 변압기의 구성 요소

• 코일(구리 권선): 전류를 흘리기 위한 도선.
• 철심: 자기장을 효과적으로 전달하기 위한 구조물.

4. 변압기의 작동 과정

1. 1차측에 교류 전원이 공급되면 자기장이 형성됨.
2. 형성된 자기장이 철심을 통해 2차측 코일로 전달됨.
3. 2차측 코일에서 유도 전압이 발생함.

5. 전압 변환 비율

6. 변압기의 손실

• 철손 (Iron Loss): 철심에서 발생하는 손실로, 히스테리시스 손실과 와류 손실로 구성됨.
  • 히스테리시스 손실: 자기 히스테리시스 현상으로 인한 손실.
  • 와류 손실: 철심 내부에 유도된 전류로 인한 손실.
• 동손 (Copper Loss): 코일에서 발생하는 손실로, 전류가 흐를 때 저항으로 인해 발생함.

7. 효율 (Efficiency)

• 효율: 변압기의 효율은 출력 전력과 입력 전력의 비율로 표현됨.

• η(에타)는 효율
• Pout​는 출력 전력 (단위: 와트, W)
• Pin​는 입력 전력 (단위: 와트, W)

8. 변압기의 극성

• 동극성 (Additive Polarity): 1차 코일과 2차 코일의 극성이 동일한 경우.
• 반극성 (Subtract Polarity): 1차 코일과 2차 코일의 극성이 반대인 경우.

9. 변압기의 종류 및 용도

• 단상 변압기 (Single-phase Transformer): 단상 교류 전압을 변환하는 변압기.
• 삼상 변압기 (Three-phase Transformer): 삼상 교류 전압을 변환하는 변압기.

10. 변압기의 연결 방식

• 델타 결선 (Delta Connection): 삼각형 형태로 연결된 삼상 변압기.
• 와이 결선 (Wye Connection): Y자 형태로 연결된 삼상 변압기.

11. 변압기의 주요 법칙

• 패러데이의 법칙 (Faraday's Law): 유도 전압은 자속 변화율에 비례.
  

  

  
  
  
  • 단위: 전압(V), 자속(Φ: 웨버, Wb), 시간(t: 초, s)
• 렌츠의 법칙 (Lenz's Law): 유도 전류는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 흐름.

추가 연습 문제

1. 문제: 1차 전압이 220V, 2차 전압이 22V일 때 권수비는?

   

   
   
   • ( N2 : N1 = 1 : 10 )
2. 문제: 권수비가 50인 변압기에서 1차 전류가 10A일 때 2차 전류는?