변압기 기본 사항:변압기란 무엇입니까?

에이 변압기 직접적인 전기 연결 없이 전자기 유도를 통해 두 개 이상의 회로 사이에 전기 에너지를 전달하는 정적 전기 장치입니다. 핵심 기능은 전력을 (이상적으로) 일정하게 유지하면서 전압을 높이거나 낮추는 것입니다. 전력 시스템, 산업 제어 또는 재생 에너지 애플리케이션을 다루는 모든 사람에게는 변압기 기본 사항을 이해하는 것이 필수적입니다.

실제로 권선비가 10:1인 240뷔 1차 공급 장치에 연결된 변압기는 2차 장치에서 약 24V를 공급합니다. 이는 모든 변압기 설계 및 선택을 뒷받침하는 간단한 관계입니다.

변압기와 전자기 유도의 원리

변압기는 전적으로 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 작동합니다. 교류 전류가 1차 권선을 통해 흐를 때 코어에 지속적으로 변화하는 자속이 생성됩니다. 이러한 변화하는 자속은 2차 권선에 기전력(EMF)을 유도합니다.

각 권선에서 유도된 EMF는 다음과 같이 설명됩니다.

E = 4.44 × 에프 × 엔 × Φ _최대

어디에:

• f = 공급 주파수(Hz)
• 엔 = 권선의 회전 수
• Φ _최대 = 최대 자속(웨버)

변압기는 자속 변화에 의존하기 때문에 교류(AC)에서만 작동합니다. DC를 적용하면 유도가 발생하지 않으며 저항성 전압 강하와 권선에 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 열 축적만 발생합니다.

단상 전압 변압기

단상 변압기는 가장 기본적인 변압기 유형입니다. 이는 공유 자기 코어에 감긴 1차 코일과 2차 코일로 구성됩니다. AC 전압이 1차 단자에 적용되면 2차 단자에 비례 전압이 나타납니다.

단상 변압기의 주요 특성은 다음과 같습니다.

• 전압 변환은 권선비에 정비례합니다.
• 전류 변환은 권선비에 반비례합니다.
• 1차 및 2차는 전기적으로 절연되어 있지만 자기적으로 결합되어 있습니다.
• 일반적인 응용 분야에는 가전 제품, 산업 제어 및 조명 시스템이 포함됩니다.

에이 typical single-phase distribution transformer for residential use steps down the utility supply from 11kV ~ 230V 안전한 국내 소비를 위해

변압기 구성(단상)

에이 single-phase transformer has three primary physical components:

자기 코어

코어는 자속에 대한 낮은 자기저항 경로를 제공합니다. 이는 실리콘 강철의 얇은 적층(일반적으로 0.35mm ~ 0.5mm 두께)으로 구성되며 각 적층은 절연 바니시로 코팅됩니다. 이 적층 구조 와전류 손실을 최대 90%까지 줄입니다. 동일한 치수의 솔리드 코어와 비교됩니다.

두 가지 공통 코어 구성이 사용됩니다.

• 코어 유형: 권선은 핵심 사지를 둘러싸고 있습니다. 고전압 애플리케이션에 더 적합
• 포탄 유형: 코어는 권선을 둘러싸고 있습니다. 더 나은 자기 차폐 기능을 제공하고 컴팩트합니다.

권선

권선 are made from copper or aluminum conductors insulated with enamel or paper. The primary winding is connected to the input supply; the secondary winding delivers power to the load. Conductors are sized based on the current they carry — the higher-voltage winding typically has more turns of thinner wire, while the lower-voltage winding uses fewer turns of thicker wire.

절연 시스템

절연은 1차 권선과 2차 권선을 분리하고 각각을 코어로부터 분리합니다. 일반적인 단열재로는 크라프트지, 합판, 광택을 낸 캠브릭 등이 있습니다. 절연 등급(예: 130°C의 클래스 B, 155°C의 클래스 F)에 따라 최대 작동 온도가 결정됩니다.

에이 Transformer's Turns Ratio

권선비는 변압기 설계에서 가장 중요한 단일 매개변수입니다. 이는 1차 및 2차 전압과 전류 간의 관계를 정의합니다.

회전율(에) = N _피 /N _에스 =V _피 /V _에스 = 나 _에스 / 나 _피

어디서 N _피 그리고 엔 _에스 는 각각 1차 및 2차 권선 수, V _피 그리고 V _에스 해당 전압이고, 나는 _피 그리고 나 _에스 전류입니다.

전압은 권선비에 따라 확장되지만 전류는 역으로 확장됩니다. 즉, 전압을 절반으로 줄인 변압기는 전류를 두 배로 늘립니다(이상적인 변압기를 가정).

변압기 동작 설명

변압기 동작은 1차에서 2차로의 전체 에너지 전달 순서를 나타냅니다. 단계별 프로세스는 다음과 같습니다.

1. 에이C voltage is applied to the primary winding, driving an alternating current through it.
2. 이 전류는 코어에 교류 자속을 형성하여 일반적으로 완료됩니다. 초당 50 또는 60 전체 주기 공급 주파수에 따라 다릅니다.
3. 변화하는 자속은 2차 권선과 연결되어 전압을 유도합니다(패러데이 법칙에 따라).
4. 2차측에 부하를 연결하면 전류가 흐르고 부하에 전원이 공급됩니다.
5. 2차 전류는 1차 플럭스(렌츠의 법칙)에 반대되는 자체 플럭스를 생성하여 1차 전류가 보상을 위해 공급 장치에서 더 많은 전류를 끌어오도록 합니다(자체 조절 메커니즘).

이 작업은 완전히 비접촉식입니다. 움직이는 부품이 없고 권선 사이에 전기 연결이 없으므로 변압기의 수명이 매우 길어 매우 안정적입니다. 25~40세 잘 관리된 시설에서.

변환기 기본 예: 계산

다음 사양의 단상 변압기를 고려하십시오.

• 피rimary voltage (V _피 ): 230V
• 에스econdary voltage (V _에스 ): 12V
• 피rimary turns (N _피 ): 1150 회전
• 부하 저항: 10Ω

에스tep 1 — Find the turns ratio: a = 230 / 12 ≒ 19.17

에스tep 2 — Find N _에스 : N _에스 = N _피 / a = 1150 / 19.17 ≒ 60턴

에스tep 3 — Find secondary current: 나 _에스 =V _에스 / R = 12 / 10 = 1.2A

에스tep 4 — Find primary current (ideal): 나 _피 = 나 _에스 / a = 1.2 / 19.17 ≒ 0.063A(63mA)

이 예에서는 1차측이 부하에 12V를 공급하면서 작은 전류만 소비하는 방법을 보여줍니다. 이는 전류 승압을 통한 전압 강압의 실제 시연입니다.

변압기의 전력

나n an ideal transformer, input power equals output power. There is no energy conversion — only energy transfer:

피 _안으로 =V _피 × 나는 _피 =V _에스 × 나는 _에스 = 피 _밖으로

나n the real world, a portion of the input power is lost. These losses fall into two categories:

코어(철) 손실

코어 손실은 부하에 관계없이 일정하며 다음으로 구성됩니다.

• 히스테리시스 손실: 매 사이클마다 코어 역방향의 자구로 에너지가 소산됩니다. 방향성 규소강을 사용하여 저감하였습니다.
• 와전류 손실: 코어 재료 내에서 유도되는 순환 전류. 코어를 적층하여 감소시켰습니다.

구리(나²R) 손실

구리 손실은 권선 도체의 저항으로 인해 발생하며 부하 전류의 제곱에 따라 달라집니다. 피 _구리 = 나² × R . 이러한 손실은 부하가 높을수록 크게 증가하므로 과열을 방지하기 위해 변압기의 정격은 특정 kVA로 지정됩니다.

변압기 효율

변압기 효율(θ)은 입력 전력에 대한 출력 전력의 비율로 정의되며 백분율로 표시됩니다.

에타(%) = (피 _밖으로 / 피 _안으로 ) × 100 = (피 _밖으로 / (피 _밖으로 피 _손실 )) × 100

현대 전력 변압기는 일상적으로 다음과 같은 효율성을 달성합니다. 97% ~ 99.5% , 지금까지 설계된 가장 효율적인 전기 장치 중 하나입니다. 99% 효율의 100kVA 변압기는 99kW의 사용 가능한 전력을 제공하면서 약 1kW만 열로 방출합니다.

구리 손실이 철 손실과 같을 때 최대 효율이 발생합니다. 이는 코어 재료, 코어 단면적 및 도체 크기를 신중하게 선택하여 설계할 수 있는 조건입니다. 최대 부하에서 철 손실이 200W이고 구리 손실이 200W인 정격 50kVA 변압기의 경우:

eta = 50,000 / (50,000 200 200) × 100 = 99.2%

변압기 효율 Triangle

효율성 삼각형은 전력 삼각형에서 파생된 시각적 도구로, 변압기의 입력 전력, 출력 전력 및 손실 간의 관계를 이해하는 데 유용합니다.

세 면은 다음을 나타냅니다.

• 나nput power (P _안으로 ): 빗변 — 공급 장치에서 가져온 총 에너지
• 출력 전력(피 _밖으로 ): 부하에 전달되는 유용한 전력
• 손실(피 _손실 ): 코어 손실 구리 손실은 열로 소산됩니다.

효율 각도 θ는 변압기가 이상적인 상태에 얼마나 가깝게 작동하는지를 나타냅니다. 각도가 작을수록 효율이 더 높다는 것을 나타냅니다. 이 개념적 모델은 엔지니어가 특정 부하 프로필에 맞게 변압기 설계를 최적화할 때 효율성 균형을 시각화하는 데 도움이 됩니다.

변압기 기본 사항 요약

변압기 작동의 주요 원리는 다음과 같이 요약될 수 있습니다.

변압기의 기본 표현

나n circuit diagrams and engineering schematics, the transformer is represented by two coupled coil symbols separated by vertical lines (representing the core). The standard schematic conveys:

• 도트 표기: 각 권선의 한 단자에 있는 점은 극성을 나타냅니다. 점선 단자의 전압은 동위상입니다.
• 핵심 라인: 에스ingle lines represent an air-core transformer; double lines represent an iron-core transformer
• 와인딩 라벨: 피rimary (left) and secondary (right) are clearly differentiated

회로 분석에 사용되는 이상적인 변압기 모델의 경우 등가 회로에는 권선비가 있는 이상적인 변압기가 포함됩니다. a , 완벽한 에너지 전달을 나타냅니다. 실제 변압기 모델은 직렬 저항(R ₁ , R ₂ ) 및 누설 리액턴스(X ₁ , X ₂ ) 각 권선에 대해 자화 리액턴스와 코어 손실 저항을 나타내는 션트 분기를 추가하여 엔지니어에게 모든 부하 조건에서 전압 조정 및 효율성을 예측할 수 있는 완벽한 도구를 제공합니다.

전압 조정 - 무부하에서 최대 부하까지 2차 단자 전압의 변화는 핵심 성능 지표입니다. 잘 설계된 저주파 변압기는 전압 조절을 유지합니다. 2% ~ 5% , 전체 부하 범위에서 안정적인 전압 공급을 보장합니다.

230V 가정용 공급 장치, 10kV 산업용 변전소 또는 태양광 DC를 그리드 AC로 변환하는 광전지 인버터에 사용되는 변압기는 원칙적으로 단순하고 응용 분야가 뛰어나 전력 엔지니어링의 기본 장치로 남아 있습니다.