실제 변압기 (보통변압기, Real Transformer)

실제 변압기는 이상변압기와 달리 여러 가지 비이상적인 요소를 고려해야 합니다. 이러한 요소들을 포함한 변압기 회로는 실제 변압기의 동작을 보다 정확히 나타내기 위해 필요합니다.

보통변압기 모델

누설 자속 (Leakage Flux)

누설 자속은 변압기에서 자속이 철심을 통해 완전히 통과하지 않고 일부가 권선 외부로 빠져나가는 현상입니다.

 

보통변압기 모델

 

변압기에서 자속은 이상적으로 보면 모든 자속이 1차와 2차 권선을 통과해야 합니다. 하지만 실제 변압기에서 일부 자속이 철심의 공극이나 권선 사이에서 누설됩니다. 이러한 누설 자속은 다음과 같은 두 가지 주요 문제를 일으킵니다:

• 리액턴스 발생: 누설 자속은 권선에 리액턴스를 발생시킵니다. 이는 자속이 권선 외부를 흐르면서 전압 강하를 유발하기 때문에, 변압기에서 발생하는 전압과 전류의 관계를 복잡하게 만듭니다.
• 효율 저하: 누설 자속으로 인해 에너지가 손실되며, 변압기의 효율이 감소합니다. 변압기 설계 시 누설 자속을 최소화하는 것이 중요합니다.

누설 자속은 변압기의 리액턴스 값으로 나타낼 수 있으며, 이는 1차 권선의 누설 리액턴스 X₁과 2차 권선의 누설 리액턴스 X₂로 구분됩니다.

철손 (Core Loss)

철손은 변압기 철심에서 발생하는 손실로, 주로 두 가지 요인으로 나눌 수 있습니다

• 히스테리시스 손실: 자속의 방향이 자주 바뀔 때, 철심 내의 자성 물질이 원래 상태로 돌아가려는 성질로 인해 에너지가 소모됩니다. 이 손실은 자성 물질의 히스테리시스 곡선의 면적에 비례하며, 자속의 주기적인 변화에 따라 발생합니다.
• 와전류 손실: 자속이 철심을 통과하면서 유도된 전류가 철심 내부에서 흐르게 되어 발생하는 손실입니다. 와전류는 금속의 저항에 의해 열로 변환되며, 이를 줄이기 위해 철심은 두꺼운 강판을 사용하는 대신 얇은 강판을 여러 겹 붙여서 절연처리합니다.

철손은 변압기 설계 시 고려해야 할 중요한 요소로, 변압기의 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 변압기 제조사들은 철손을 줄이기 위해 고품질의 자성 재료를 사용하고, 철심의 두께와 구성에 신경을 씁니다.

권선 저항 (Resistance of Windings)

권선 저항은 변압기에서 전류가 흐를 때 발생하는 저항을 의미합니다. 이 저항은 다음과 같은 요소를 포함합니다:

• 저항 손실: 권선의 저항에 의해 전류가 흐를 때 열이 발생합니다. 이 열 손실은 전압 강하를 유발하며, 변압기의 전체 효율에 영향을 미칩니다. 권선의 재료와 두께에 따라 저항 값이 달라집니다.
• 전류와 전압 강하: 권선의 저항으로 인해 전류가 흐를 때 전압이 감소합니다. 이는 전압의 손실을 초래하며, 변압기 성능의 저하로 이어질 수 있습니다.

권선 저항은 변압기의 설계와 운영에서 중요한 역할을 하며, 변압기의 효율과 안정성을 보장하기 위해 저항을 최소화하는 설계가 필요합니다. 이를 위해서는 적절한 재료 선택과 최적화된 권선 설계가 필수적입니다.

 

보통변압기의 회로

 

결론

보통변압기의 동작을 이해하기 위해서는 누설 자속, 철손, 권선 저항과 같은 요소들을 잘 이해해야 합니다.

이러한 요소들은 변압기의 효율성과 성능에 큰 영향을 미치므로, 설계 및 운영 시 신중하게 고려해야 합니다. 각 요소의 특성과 영향을 이해함으로써 변압기의 성능을 최적화하고, 에너지 손실을 최소화할 수 있습니다.

 

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