트랜스포머의 기본
이 문서에서는 변압기의 기본 이론과 작동을 설명합니다.
1. 트랜스포머 소개
변압기 설계 및 테스트는 때때로 과학이라기보다는 예술로 간주됩니다.
변압기는 불완전한 장치이므로 변압기의 설계 값, 테스트 측정 및 회로의 실제 성능 간에 차이가 있습니다.
기본으로 돌아가서 이 기술 노트는 설계 및 테스트 엔지니어가 변압기의 전기적 특성이 코어 및 권선의 물리적 특성의 결과인지 이해하는 데 도움이 됩니다.
2. 기본 변압기 이론
위 그림은 변압기의 필수 요소, 즉 자기 코어의 가장자리에 1차 코일과 2차 코일이 감겨 있는 자기 코어를 나타냅니다.
1차측에 교류 전압(Vp)이 가해지면 1차측을 통해 교류 전류(Ip)가 생성됩니다.
이 전류는 자기 코어에 교류 자속을 생성합니다.
이 교번 자속은 1차 코일의 각 턴과 2차 코일의 각 턴에 전압을 유도합니다.
플럭스는 일정하므로 1차 및 2차 모두 동일합니다.
이 방정식은 1차 권선과 2차 권선의 비율을 제어하여 변압기를 사용하여 AC 전압을 승압하거나 강압할 수 있음을 보여줍니다. (전압 변압기 동작).
또한 다음과 같이 표시될 수 있습니다.
1차 볼트 암페어 = 2차 볼트 암페어
이 방정식은 1차 권선과 2차 권선의 비율을 제어하여 변압기를 사용하여 AC 전류를 높이거나 낮추는 데 사용할 수 있음을 보여줍니다. (변류기 동작)
1차 권선과 2차 권선 사이에는 전기적 연결이 없다는 점에 유의해야 합니다.
따라서 변압기는 하나의 전기 회로를 다른 전기 회로로부터 분리하는 수단을 제공합니다.
전압/전류 변환 및 절연과 같은 이러한 기능은 다른 어떤 방법으로도 효율적으로 얻을 수 없으므로 변압기는 전 세계 거의 모든 전기 및 전자 장비에 사용됩니다.
3. BH 곡선
변압기의 1차측에 부하가 없는 2차측에 전원이 공급되면 1차측에 작은 전류가 흐릅니다. 이 전류는 변압기 코어에 자속을 생성하는 '자화력'을 생성합니다.
자화력(H)은 자화 전류와 감은 수의 곱과 같으며 암페어(Ampere) - 회전수로 표시됩니다.
주어진 자성 재료에 대해 자화력과 생성된 자속 사이의 관계를 그릴 수 있습니다. 이를 재료의 BH 곡선이라고 합니다.
BH 곡선에서 자화력이 0에서 증가함에 따라 자속은 특정 최대 자속 값까지 증가한다는 것을 알 수 있습니다.
이 수준 이상에서는 자화력이 더 증가해도 자속이 크게 증가하지 않습니다. 자성체는 '포화'되었다고 합니다.
변압기는 일반적으로 자속 밀도가 포화를 유발하는 수준 미만이 되도록 설계됩니다.
자속 밀도는 다음 방정식을 사용하여 결정할 수 있습니다.
어디:
E는 인가된 전압의 RMS 값을 나타냅니다.
N은 권선의 감은 수를 나타냅니다.
B는 코어(Tesla)의 자속 밀도의 최대값을 나타냅니다.
A는 코어의 자성체 단면적(평방미터)을 나타냅니다.
f는 적용된 전압의 주파수를 나타냅니다.
메모
1 테슬라 = 1 웨버/미터²
1 웨버/m² = 10,000가우스
미터당 1암페어 = 4px 10-3 에르스테드
실제로 모든 자성 재료는 일단 자화되면 자화력이 0으로 감소하더라도 자화의 일부를 유지합니다.
이 효과는 '잔재성'으로 알려져 있으며 자화력 증가에 대한 반응과 다른 자화력 감소에 대한 반응을 나타내는 재료의 BH 곡선이 생성됩니다.
실제로 실제 자성 재료는 다음과 같은 BH 곡선을 갖습니다.
위에 표시된 곡선은 재료의 '히스테리시스' 루프라고 하며 재료의 실제 BH 응답을 나타냅니다. (첫 번째 BH 곡선은 실제 BH 루프 응답의 평균을 나타냅니다.)
BH 곡선의 기울기, 포화 수준 및 히스테리시스 루프의 크기는 사용된 재료 유형 및 기타 요인에 따라 달라집니다.
이는 다음 예를 사용하여 설명됩니다.
 | 저급 철심 높은 포화 자속 밀도 큰 루프 = 큰 히스테리시스 손실 50/60Hz에 적합 |
 | 고급 철심 높은 포화 자속 밀도 중간 루프 = 중간 히스테리시스 손실 400Hz 변압기에 적합 |
 | 페라이트 코어 - 에어 갭 없음 중간 포화 자속 밀도 작은 루프 = 작은 히스테리시스 손실 고주파 변압기에 적합 |
 | 페라이트 코어 - 큰 에어 갭 작은 루프 = 작은 히스테리시스 손실 DC 전류가 큰 고주파 인덕터에 적합 |
4. 히스테리시스 손실
히스테리시스 손실은 BH 곡선을 따라 자성 재료를 순환한 결과입니다.
이는 인가된 전압으로 취한 에너지를 나타내며, 자기 쌍극자를 먼저 한 방향으로 정렬한 다음 다른 방향으로 정렬합니다.
BH 곡선의 면적을 에워싸면 손실이 증가합니다. 재료가 포화 상태에 가까워질수록 곡선 내의 면적과 각 사이클에 해당하는 에너지 손실이 크게 증가합니다.
5. 와전류 손실
와전류 손실은 코어의 교류 자속에 의해 자극되어 코어 재료 내에서 순환하는 작은 전류로 인해 발생합니다.
이러한 전류와 관련된 I*I*R 전력 손실("열" 손실)은 와전류 손실로 알려진 코어의 가열을 생성합니다.
철심 변압기에서는 적층으로 알려진 절연 철판을 사용하여 순환 전류의 경로를 제한함으로써 이러한 효과를 최소화합니다.
페라이트 코어는 이러한 경로를 더욱 제한합니다.
6. 변압기 등가 회로
하나의 1차 권선과 두 개의 2차 권선을 가진 이상적인 변압기는 아래와 같이 표현될 수 있습니다.
이러한 변압기는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.
• 손실 없음
• 모든 권선 간의 완벽한 결합
• 무한 개방 회로 임피던스(즉, 2차측이 개방 회로일 때 입력 전류가 없음).
• 권선 사이의 무한한 절연
실제로 실제 변압기는 이상적인 변압기와는 다른 특성을 보인다.
이러한 특성 중 다수는 변압기 등가 회로로 표현될 수 있습니다.
어디:
R1, R2, R3은 권선의 저항을 나타냅니다.
C1, C2, C3은 권선 사이의 커패시턴스를 나타냅니다.
Rp는 와전류 및 히스테리시스 손실로 인한 손실을 나타냅니다. 이는 개방 회로 전력 측정을 수행하여 측정할 수 있는 코어 손실이라고도 하는 실제 전력 손실입니다. 부하 전류가 없기 때문에 활성화된 권선에서 I 2 R 구리 손실이 거의 없으며 무부하에서 측정된 와트는 거의 모두 코어로 인한 것입니다.
Lp는 자화 전류로 인한 임피던스를 나타냅니다. 이는 BH 루프 다이어그램에 사용되는 자화력 H를 생성하는 전류입니다. 이 전류는 단순한 사인파가 아닐 수 있지만 변압기가 BH 곡선의 비선형 영역에서 작동하는 경우 왜곡된 피크 모양을 가질 수 있습니다. 이는 일반적으로 라인 주파수, 라미네이트 유형 변압기의 경우입니다.
L1, L2, L3은 각 권선의 누설 인덕턴스를 나타냅니다. (이 내용은 Voltech Note 104-105, "누설 인덕턴스"에 자세히 설명되어 있습니다.)
7. 결론
변압기의 등가 회로는 코어와 권선으로 구성된 자기 회로의 실제 특성을 반영합니다.
따라서 등가 회로를 사용하여 다양한 상황에서 변압기의 전기적 성능을 이해하고 예측할 수 있습니다.
8. 추가 자료
등가 회로는 변압기가 올바르게 구성되었는지 확인하는 데 사용할 수 있는 테스트 및 테스트 조건을 이해하고 최적화하는 데에도 사용할 수 있습니다.
이 시리즈의 추가 기술 노트에서는 등가 회로 매개변수를 사용하여 제조 환경에서 변압기의 품질을 보장하기 위한 실제 테스트를 도출하는 방법에 대해 설명합니다.