특수변압기의 종류와 원리

1. 탭 절환 변압기 (Tap-changing Transformer)
   • 기본 원리: 변압기의 1차 권선에 여러 개의 탭을 두어 탭의 위치에 따라 전압 변환 비율을 변경함.
   • 사용 목적: 배전 전압을 일정하게 유지하기 위해 사용됨. 변전소와의 거리 등에 따라 전압 변동이 발생할 수 있는데, 이를 조절하여 일정한 전압을 공급함.
   • 실제 사용 사례: 주상 변압기에서 주로 사용됨. 거리에 따라 전압 차가 발생할 수 있으므로, 일정한 전력을 공급할 수 있도록 돕는다.
2. 단권 변압기 (Autotransformer)
   • 기본 원리: 하나의 권선만을 사용하여 1차와 2차 전압을 모두 공급함. 권선의 일부를 공유하여 구조가 단순함.
   • 장점: 구리 사용량이 적어지고, 변압기 무게가 가벼워짐.

     

3. 계기용 변압기 (Instrument Transformer)
   • 종류: 전압 변성기(VT, PT)와 전류 변성기(CT)로 나뉨.
   • 목적: 전압계 및 전류계에 맞는 적절한 전압과 전류로 변환하여 측정할 수 있게 함.
   • 사용 사례: 고전압을 낮은 전압(예: 110V)으로 변환하여 전압계를 보호하거나, 높은 전류를 낮은 전류로 변환하여 전류계를 보호함.

주요 문제와 해설

1. 탭 절환 변압기의 사용 이유:
   • 배전 전압을 일정하게 유지하기 위해 사용된다.
2. 계기용 변성기:
   • 대전류를 소전류로 변환하여 계측기에 공급하는 기기를 계기용 변성기라 한다.
3. 수변전 설비에서 고압 회로의 전압을 표시하기 위해 필요한 변압기:
   • 계기용 변압기(VT)를 사용한.
4. 단상배전선 전압을 승압하는 단권 변압기의 자기 용량 계산:

변압기의 병렬 운전

1. 필요성
   • 변압기 한 대로 필요한 전력을 공급하기 어려울 때 사용한다.
   • 예시: 아파트 전력 수요 증가 시 추가 변압기 설치
2. 방법
   • 기존 변압기 교체하는 방법과 변압기를 추가 설치하는 방법이 있다.
   • 상대적으로 변압기를 추가 설치하는 것이 비용 면에서 효율적이다.
   • 용량 변화에 따라 유연한 전력 공급 가능

변압기 병렬 운전의 조건

1. 극성 일치
   • 변압기의 극성이 같아야 한다. 여기서 말하는 극성은 +,-를 의미하는 것보다는 변압기 권선의 극성이 일치해야 한다는 것을 의미한다.  
   • 변압기 극성의 종류:
     • 가극성 (Additive Polarity)
       • 의미: 고전압 권선과 저전압 권선의 점 표시 단자를 연결했을 때, 두 권선의 전압 합이 발생하는 경우를 가극성이라 한다.
       • 예시: 변압기의 1차 측과 2차 측 권선의 한 쌍을 연결하고, 나머지 한 쌍의 단자 사이에 전압계를 연결했을 때, 전압계가 두 권선의 전압을 더한 값을 표시한다.
       • 용도: 주로 소형 배전 변압기에서 사용된다.
     • 감극성 (Subtractive Polarity)
       • 의미: 고전압 권선과 저전압 권선의 점 표시 단자를 연결했을 때, 두 권선의 전압 차가 발생하는 경우를 감극성이라 한다.
       • 예시: 변압기의 1차 측과 2차 측 권선의 한 쌍을 연결하고, 나머지 한 쌍의 단자 사이에 전압계를 연결했을 때, 전압계가 두 권선의 전압을 뺀 값을 표시한다.
       • 용도: 대형 전력 변압기에서 주로 사용된다.
2. 전압비 동일
   • 각 변압기의 1차와 2차 권선의 전압비가 동일해야 한다. 전압비가 다른 변압기를 병렬로 연결하면 부하 분담이 고르지 않아 변압기에 과부하가 걸릴 수 있다.
3. 임피던스 비율 동일
   • 각 변압기의 임피던스(전기 저항) 비율이 동일해야 한다. 임피던스가 다른 변압기를 병렬로 연결하면 부하가 고르게 분배되지 않아 특정 변압기에 과부하가 걸릴 수 있다.
4. 용량과 임피던스의 반비례 관계
   • 변압기의 용량이 클수록 임피던스가 작아야 한다. 이는 큰 용량의 변압기가 더 많은 전력을 분담할 수 있도록 하기 위함이다.
5. 저항과 리액턴스 비율 동일
   • 변압기의 저항과 리액턴스의 비율이 동일해야 한다. 이 비율이 달라지면 변압기의 전압 강하와 전류 분담이 불균형하게 된다.
6. 용량 차이 허용
   • 변압기의 용량이 달라도 병렬 운전이 가능하다.

변압기 병렬 운전의 장점

• 유연성 증가: 부하 변화에 유연하게 대응할 수 있다.
• 비용 절감: 큰 변압기를 교체하는 것보다 작은 변압기를 추가하는 것이 비용 면에서 유리하다.

변압기 병렬 운전의 단점

• 설치 복잡성 증가: 병렬 연결 시 추가적인 배선과 설치 작업이 필요하다.
• 관리의 어려움: 여러 변압기를 동시에 관리하고 유지 보수해야 한다.

3상 결선

1. Y-Y 결선
   • 1차, 2차 모두 Y 결선
   • 중성선 존재로 접지 가능
   • 권선 전압이 성관전압의√3배
   • 3고조파 전류 문제 있음
   • 통신선 장애 발생 가능

1. 델타-델타 결선
   • 1차, 2차 모두 델타 결선
   • 한 변압기 고장 시 브결선 가능
   • 3고조파 전류가 권선 내에서 순환
   • 중성선이 없어 접지 불가
2. 델타-Y 결선
   • 1차 델타, 2차 Y 결선
   • 주로 낮은 전압을 높은 전압으로 올릴 때 사용
   • 3고조파 문제 없음
   • 1차, 2차 사이에 30도 위상차 발생
3. 브이결선 (V 결선)
   • 델타 결선 중 한 변압기 고장 시 사용
   • 임시 방편으로 출력 및 효율 감소
   • 변압기 용량의 86.6% 이용
   • 출력 비율 57.7%

자주 나오는 문제 내용 정리

1. 극성 일치 필요: 변압기 병렬 운전 시 극성 일치
2. 출력 용량 달라도 무방: 단상 변압기 병렬 운전 시 출력 용량 차이 가능
3. Y 결선 중성선 접지 가능: 중성선을 이용한 접지 가능
4. 델타 결선 3고조파 문제 없음: 델타 결선 시 3고조파 영향 없음

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.

   • 

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

     • 

   • 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?

직류 전동기와 발전기의 기본 원리

• 발전기는 전기를 생성하는 장치이며, 전동기는 전기를 소비하여 기계적 동력을 생성하는 장치이다.
• 역기전력은 전동기에서 전기를 소비할 때 발생하는 전압으로, 유도 전동기에서는 중요한 개념이다.

역기전력 공식

전동기에서 역기전력의 크기를 구하는 일반적인 공식은 다음과 같다:

여기서,

• ( Eb ) : 역기전력 (V)
• ( Φ ) : 자속 (Wb)
• ( A ) : 전기자의 병렬 회로수
• ( P ) : 극수
• ( Z ) : 도체 수
• ( N ) : 분당회전수 (RPM)

또는 다른 표현으로:

시중에 나오는 모터의 경우 극수, 도체수, 병렬 회로수는 정해져 있는 경우가 많기 때문에 k는 상수로 표현하기도 한다.

k의 경우 첫번째 공식에서 분자에서 N과 Φ 자속을 제외한 나머지 부분으로 한다.

직류 전동기의 회전 원리

• 플레밍의 법칙에 따라 전동기의 , 전류, 자속 등의 방향을 알 수 있다.
  • 오른손 법칙: 발전기
  • 왼손 법칙: 전동기 -> 엄지 : 힘, 중지 : 전류, 검지 : 자속

* 직류 전동기 회전 속도 구하는 공식

속도 제어법

1. 전압 제어법: 단자 전압(V)을 조절하여 속도를 제어하는 방법이다. 가장 널리 사용된다.
2. 계자 제어법: 계자(자속)를 조절하여 속도를 제어하는 방법이다. 정출력 제어로 불리며, 자속이 감소하면 속도가 증가한다.
3. 저항 제어법: 저항(R)을 조절하여 속도를 제어하는 방법이다. 효율이 낮아 많이 사용되지 않는다.

제동 방법

1. 발전 제동: 전기를 끊어 관성으로 발생하는 에너지를 저항을 통해 소비한다.
2. 회생 제동: 생성된 전기를 다시 저장하거나 사용한다.
3. 역상 제동(플러깅): 전압의 극성을 반대로 걸어 급격히 정지시킨다.

토크

• 토크는 회전력을 의미하며, 전동기의 출력과 속도에 의해 결정된다.
• 기동 토크: 전동기가 초기 상태에서 필요한 큰 힘으로, 크레인 등 무거운 장비에 사용된다.

* 토크 구하는 공식

직권 전동기와 분권 전동기

• 직권 전동기: 계좌와 전기자가 직렬로 연결되어 힘이 세지만, 무부하 운전을 하면 속도가 너무 높아질 위험이 있다.
• 분권 전동기: 계좌와 전기자가 병렬로 연결되어 일정한 속도를 유지한다.

효율

• 실측 효율: 입력에 대한 출력의 비율로, 입력 분의 출력이다.
• 규약 효율: 전동기의 경우 입력을 두 번 사용하고, 발전기의 경우 출력을 두 번 사용하여 계산한다.

주요 문제 풀이

1. 직류 전동기의 속도 제어 방법
   • 전압 제어법, 계좌 제어법, 저항 제어법
2. 제동 방법
   • 발전 제동, 회생 제동, 역상 제동
3. 토크 계산
   • 토크 = 출력 / 속도

직류 전동기의 속도와 토크 특성

• 속도와 토크는 직류 전동기의 중요한 특성으로, 다양한 제어 방법과 제동 방법이 존재한다.
• 각 제어 방법과 제동 방법은 전동기의 용도와 상황에 따라 선택된다.

전기기기의 종류

전기기능사 필기를 준비하면서 알아둬야 하는 전기기기는 크게 다섯 가지로 나눌 수 있다:

1. 직류기 (Dynamo): 직류로 작동하는 기계로, 직류 발전기와 직류 전동기가 있다.
2. 변압기 (Transformer): 교류 전압을 변환하는 장치로, 전압을 올리거나 내릴 수 있다.
3. 유도기 (Induction Machine): 교류 전동기로, 단상 유도기와 삼상 유도기가 있다.
4. 동기기 (Synchronous Machine): 교류 발전기로, 동기 속도로 회전하는 기계이다.
5. 정류기 (Rectifier): 전력 변환 장치로, 직류를 교류로, 교류를 직류로 변환할 수 있다.

직류기의 구조와 작동 원리

직류기 내부에는 N극과 S극의 자석이 있고, 그 사이에 도체가 놓여 있다. 도체가 회전하면 자속이 끊어지면서 유도기전력이 발생한다. 플레밍의 오른손 법칙에 따라 유도기전력이 발생하며, 이 전압이 직류로 변환된다.

유도기전력

직류 발전기에서 유도기전력은 다음 식으로 구할 수 있다:

• ( P ): 극수 (짝수로 이루어짐, 예: 2극, 4극)
• ( Z ): 총 도체 수
• ( Φ ): 자속
• ( N ): 회전수 (분당 회전수, RPM)
• ( A ): 병렬 회로 수 (*파권: 2, 중권: 극수와 동일)

직류기의 구성 요소

1. 계자 (Field): 자속을 생성하는 부분으로, 자석의 역할을 한다.
2. 전기자 (Armature): 자속을 끊으며 전기를 생성하는 부분으로, 도체가 회전한다.
3. 정류자 (Commutator): 교류를 직류로 변환하는 부분으로, 전류의 방향을 일정하게 유지한다.
4. 브러시 (Brush): 전기자와 외부 회로를 연결하는 부분으로, 탄소 브러시가 사용된다.

전기자 권선법

• 환상권: 코일을 안팎으로 감는 방법
• 고상권: 코일을 바깥에만 감는 방법

중권과 파권

• 중권 (Lap Winding): 병렬 회로 수가 극수와 같다. 전압이 낮고 전류가 큰 경우 유리하다.
• 파권 (Wave Winding): 병렬 회로 수가 2이다. 전류가 작고 전압이 큰 경우 유리하다.

비교표

중권과 파권의 차이점

• 중권 (Lap Winding)
  • 병렬회로수는 극수와 동일하다.
  • 브러쉬 수도 극수와 동일하다.
  • 주로 저전압 대전류용으로 사용되며, 4극 이상의 경우에 많이 사용된다.
  • 균압환이 필요하다.
• 파권 (Wave Winding)
  • 병렬회로수는 2이다.
  • 브러시 수도 2이다.
  • 주로 고전압 소전류용으로 사용된다.
  • 균압환이 불필요하다.

기출문제에 나오는 내용 정리

1. 직류기의 주요 구성 요소: 계자, 전기자, 정류자
2. 전기자 권선: 철심과 구리 권선으로 이루어짐
3. 브러시의 역할: 전기자 권선과 외부 회로를 전기적으로 접속
4. 계자의 역할: 자속 생성
5. 병렬 회로 수: 파권일 때 2, 중권일 때 극수와 동일
6. 직류기의 주요 구성 요소가 아닌 것: 보극
7. 직류 발전기 전기자의 구성: 권선과 철심
8. 브러시의 역할: 전기자 권선과 외부 회로 접속
9. 계자의 역할: 자속 생성
10. 파권의 병렬 회로 수: 2
11. 중권의 병렬 회로 수: 극수와 동일