변압기(트랜스포머)란 무엇인가?
변압기(트랜스포머)는 간단히 전자유도작용에 의해 전력을 전달하거나 변환하는 장치라고 말한답니다.
여기서 전자유도작용이라는 용어가 나오는데 가장 쉽게 알아보면, 페러데이라는 사람이 코일에 자석을 넣었다 뺐다 했을 때
도선에 전류가 흐른다는 것을 발견하였고 이를 발전시켜 코일내에 자기장을 변화시키면 기전력이 유도된다는 패러데이 법칙
(Faraday’s law of electromagnetic induction) 이론을 정립하게 되었고, 랜즈라는 사람은 발생된 기전력의 방향을 정의하는
랜즈의 법칙을 정립하였답니다.
이 두 법칙은 변압기의 기본동작 원리로 적용된답니다.
그럼 변압기의 기본 동작 원리와 구조에 대해 알아봅시다.
변압기 동작원리
변압기는 동일한 철심 양쪽에 2개의 별개 코일을 감고 한쪽 코일에 교류 전류를 흘려주면 남은 한쪽 코일에 유도 기전력이
발생하게 되는데, 교류가 입력되는 쪽을 1차 권선(primary winding), 유도 기전력이 발생되는 쪽을 2차 권선(secondary
winding) 이라고 한답니다.
변압기 기본회로 및 기호
유도 기전력은 1차 권선과 2차 권선이 철심에 감긴 권선 수에 의해 변하지만, 1차 권선에 입력된 교류 주파수는 2차측 권선에
동일한 교류 주파수로 출력된답니다.
1차 권선에 주파수를 가진 교류 전압을 인가하게 되면 철심에 여자전류(I0)가 발생하게 되는데, 이 여자전류는 주파수에 의해
교번을 하며 “Φ = 입력전압(V1) / 4.44 x 주파수(F) x 1차 권선수(N1)” 라는 교번 자속을 발생하게 된답니다.
교번자속을 수식으로 정리하면
이 됩니다.
결국, 이 교번자속이 2차 권선에 유기전압을 발생시키게 되는데,
유기전압은 “2차전압 = 4.44 x 주파수 x 2차 권선수 x 교번자속” 이 된답니다.
마찬가지로 1차 전압 = 4.44 x 주파수 x 1차 권선수 x 교번자속 이 되므로
1차 전압 / 2차전압 = 1차 권선수 / 2차 권선수 가 된답니다.
이것을 수식으로 정리하면
위 두식에서 1차 전압과 2차 전압의 비는
로 나타나게 된답니다.
이 두 수식에 의해 1차 전압과 2차 전압은 철심에 감긴 1차 권선수와 2차 권선수와 비례하는 것을 알 수 있는데,
이런 현상을 이용하여 1차 권선수 또는 2차 권선수를 바꾸면 1차 전압에 의해 유기되는 2차 전압을 마음대로
변경시킬 수 있다는 것을 보여줍니다.
그러면 전류는 어떻게 변할까요???
2차 권선에 흐르는 전류량은 연결된 부하에 의해 달라지는데, 부하에 소모되는 전력은 “2차 전력 = 2차 전압 x 2차 전류” 가
된답니다.
2차 전력은 1차 전력과 같아야 하므로 “전력(P) = 1차 전력 = 2차 전력" 으로 표현됩니다.
이것을 수식으로 표현하면
전압과 전류비는
로 나타난답니다.
이것은 전류가 전압과 반비례 한다는 것을 보여준답니다.
이러한 전압과 권선수, 전류의 관계를 권수비(Turn ratio) 또는 변압비(Transformer ratio)라고 하는데,
이를 수식으로 표시하면
로 나타난답니다.
(이 수식은 아주아주 중요하답니다. 변압기의 기본 이론이니까요,,,ㅎㅎㅎ)
변압기의 구조는 어떻게 생겼을까요..
변압기는 보통 가정용 전원과 같이 2개의 전력선을 사용하는 단상용과 3개의 전력선을 사용하는 삼상용이 있는데,
통상 단권 변압기와 복권 변압기의 구조를 가지고 있답니다.
단권 변압기는 1개의 연속된 권선에서 1차권선 및 2차 권선을 인출한 구조의 변압기이고,
복권 변압기는 1차 권선과 2차 권선으로 전기적으로 절연하여 분리시킨 구조의 변압기랍니다.
삼상의 경우, 3개의 전력선에 동일한 용량의 단상트랜스가 각각 1개씩 연결되어 있는 것이라고 생각하면 될 것 같습니다....
변압기는 사용하는 철심, 절연체, 내부 구조, 냉각 방식, 탭 절환 방식 등 수많은 종류로 구별되고,
사용 용도에 의해 전력용 변압기, 절연 변압기, 이동용 변압기, 접지 변압기, 선박용 변압기, 누설 변압기 등
많은 종류가 있지만, 재미있는 전자공작소에서 사용하는 작은 소형 변압기는 단상복권변압기를 말한답니다.
