변압기 기본 원리 | 전자유도작용, 자기저항, 여자전류

변압기는 전력을 변환하여 전달하는 중요한 전기 기기입니다. 변압기의 기본 원리는 전자유도작용을 이용하여 전력을 변환하는 것입니다. 이 글에서는 변압기의 기본 원리와 관련된 주요 개념들에 대해 알아보겠습니다.

전자유도작용의 기본 원리

전자유도작용의 기본 원리는 "코일의 유기기전력은 그 코일과 쇄교하는 자속의 변화량에 비례한다"는 것입니다. 간단히 말해, 자속의 변화가 코일에 전압을 유도하는 원리입니다. 이를 수학적으로 표현하면, 유기기전력(E) = -N × (ΔΦ/Δt)로 나타낼 수 있습니다. 여기서 N은 코일의 권선 수, ΔΦ는 자속의 변화량, Δt는 시간입니다.

자속의 변화와 유기기전력

자속이란 자계의 강도를 나타내는 물리량으로, 코일을 통과하는 자계의 총량을 의미합니다. 자속이 변화하면 코일 내부에 전압이 유도되며, 이 전압은 코일에 흐르는 전류를 생성합니다. 전자유도작용의 이 원리는 변압기, 전동기, 발전기 등 다양한 전기기기에서 중요한 역할을 합니다.

변압기에서의 전자유도작용

변압기는 전자유도작용을 이용하여 전압을 변환하는 장치입니다. 변압기의 1차 권선에 교류 전압이 인가되면, 이 전압에 의해 자속이 생성됩니다. 이 자속이 2차 권선으로 쇄교되면서, 2차 권선에도 전압이 유도됩니다. 이 과정에서 자속의 변화율이 전압의 크기를 결정합니다.

자기회로와 자기저항

전자유도작용을 이해하기 위해서는 자기회로와 자기저항의 개념도 중요합니다. 자기회로는 자속이 흐르는 경로를 말하며, 자기저항은 이 자속이 통과할 때의 저항을 의미합니다. 전기회로에서의 전기저항과 유사하지만, 자기회로에서는 자기저항이 자속의 강도와 방향에 영향을 미칩니다.

 

 

자기저항

자기저항, 또는 자기회로의 저항은 자속이 자기회로를 통과할 때 발생하는 저항입니다. 전기회로에서의 전기저항과 유사하지만, 자기회로에서는 자속의 흐름을 방해하는 요소로 작용합니다. 자기저항은 다음과 같이 정의됩니다

자기저항의 정의

자기저항(R)은 자속의 크기와 자기회로의 특성에 의해 결정됩니다. 수식으로 표현하면 다음과 같습니다:

R = ℓ / μA

여기서 ℓ은 자기회로의 길이, μ는 투자율, A는 단면적입니다. 자기저항은 자속이 통과하는 자기회로의 물리적 특성에 따라 달라지며, 철심의 구조와 재질에 영향을 받습니다.

 

자기저항의 영향

자기저항이 클수록 자속의 흐름이 방해받게 됩니다. 변압기와 같은 기기에서는 자기저항이 낮아야 효율적인 자속 흐름이 가능하므로, 철심의 설계와 재료 선택이 중요합니다. 자기저항이 높으면 자속의 손실이 커지고, 이는 전력 손실로 이어질 수 있습니다.

 

여자전류

여자전류는 변압기에서 자속을 생성하기 위해 필요한 전류입니다. 변압기에 전압만 인가되고 부하가 연결되지 않았을 때, 1차 권선에 흐르는 전류가 바로 여자전류입니다. 이 전류는 변압기의 자속을 생성하며, 자속이 자기회로를 통과하도록 합니다.

여자전류의 성격

여자전류는 주로 자속을 만드는 자화전류와 철손을 공급하는 전류로 나눌 수 있습니다. 자화전류는 자속을 생성하고, 철손을 공급하는 전류는 히스테리시스 손실과 와류 손실을 커버합니다. 여자전류는 다음과 같은 요소를 포함합니다:

I₀ = Iₓ + Iₑ

여기서 Iₓ는 자화전류, Iₑ는 철손을 공급하는 전류입니다.

여자전류의 파형

여자전류는 전압에 대해 비정현파 형태를 가집니다. 자속이 증가하거나 감소함에 따라 여자전류의 파형은 왜형파를 나타내며, 이로 인해 전류는 정현파 이외의 고조파를 포함하게 됩니다. 이는 변압기의 철심에서 발생하는 히스테리시스와 와류 손실로 인해 생기는 현상입니다.

 

히스테리시스 루프에 의한 전압, 여자전류, 자속의 관계

 

여자전류의 파형 분석

여자전류의 파형은 기본파와 고조파로 구성됩니다. 고조파 중에서 제3고조파가 가장 큰 영향을 미치며, 이는 변압기의 자속 밀도에 따라 다르게 나타납니다. 변압기의 여자전류를 정확하게 계산하기 위해서는 자속 밀도와 주파수에 기반하여 피상전력을 산출해야 합니다.

결론

변압기의 기본 원리는 전자유도작용을 통해 전력을 변환하는 것입니다. 자기저항, 여자전류, 그리고 자화곡선은 변압기의 성능과 효율에 중요한 영향을 미칩니다. 이들 요소를 잘 이해하고 관리하는 것이 변압기의 효율적인 운영과 신뢰성 있는 성능을 유지하는 데 필수적입니다.

 

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