전기기사 (전기기기) 출제 빈도 No.1 변압기

전기기사 필기 시험 중 전기기기 영역에서 출제빈도가 가장 높은 변압기에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

• 첫번째로 변압기에 기본적인 원리를 소개하고,
• 두번째로 변압기의 3상 결선의 종류와 특징에 대해서 알아보고,
• 마지막으로 변압기 병렬운전에 대해서 소개하도록 하겠습니다.

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변압기의 원리

• 변압기는 전자유도법칙을 기반으로 동작.
• 전류의 변화로 인해 자기장 생성과 변화.
• 전류를 유도하는 과정을 통해 전기와 자기의 상호작용.
• 입력 전압을 변환하고, 코일 수와 흐르는 전류의 크기 조절을 통해 출력 전압을 결정.
• 전력 전송 및 전압 변환에 필요한 전력의 안정적인 전달과 전압의 조절 역할을 수행.

 

변압기는 전자유도법칙을 기반으로 동작하는 매우 중요한 기기입니다. 전자유도법칙은 전류의 변화를 통해 자기장이 생성되고, 이 자기장이 다른 회로에 전류를 유도하는 현상을 말합니다. 이는 전기와 자기의 상호작용에 관한 기본적인 원리를 설명하는데, 이를 이해하면 변압기의 동작 원리를 이해하는데 큰 도움이 됩니다.

 

변압기는 주로 두 개의 코일로 구성되어 있습니다. 이 두 코일은 각각 주 코일과 보조 코일이라고 부릅니다. 주 코일에 전류를 흐르게 함으로써 주변에 자기장이 형성되는데, 이 자기장의 생성은 전류의 변화에 의해 발생합니다.

 

이때 주 코일의 자기장은 보조 코일에 위치한 회로에 영향을 미치는데, 주 코일의 자기장이 변하면 보조 코일 내부에 전류가 유도됩니다. 이렇게 유도된 전류는 변압기의 보조 코일에 연결된 부하를 작동시키는 역할을 합니다. 즉, 변압기는 주 코일에서 생성된 자기장을 이용하여 보조 코일에서 전류를 유도하고, 이를 통해 전력을 전달하는 기능을 수행합니다.

 

변압기의 동작 원리는 주 코일과 보조 코일 사이의 코일 수와 각각의 코일에 흐르는 전류의 크기에 따라 입력 전압과 출력 전압이 결정됩니다. 입력 전압이 높고 입력 코일의 개수가 출력 코일의 개수보다 많다면, 출력 전압은 입력 전압보다 낮아집니다. 이는 전류의 크기를 조절함으로써 전압을 낮추는 역할을 합니다. 반대로 입력 전압이 낮고 입력 코일의 개수가 출력 코일의 개수보다 적다면, 출력 전압은 입력 전압보다 높아집니다.

 

이처럼 변압기는 전자유도법칙을 활용하여 입력 전압을 적절히 변환하여 출력 전압을 조절하는 역할을 수행합니다. 변압기는 전력 전송이나 전압 변환 등 다양한 용도로 사용되며, 우리 생활에서 많이 활용되는 전기 기기들과 전력망에서 중요한 역할을 합니다. 이는 전력의 안정적인 전달과 전압의 필요에 따른 조절을 가능하게 하기 때문입니다.

 

변압기의 3상 결선

• 3상 결선 방식에는 환상 결선, Y결선, V결선이 있음.
• 이들은 각각의 특성에 따라 고 전력 및 저전력 시스템에 적용됨.
• 전력 시스템의 안정성과 효율성을 위해 설계됨.

 

변압기는 전압을 변환하는 장치로서, 주로 전력 시스템에서 전압의 변환과 전력의 전달에 사용됩니다. 3상 결선은 3상 전력 시스템에서 사용되는 연 방식으로, 환상 결선, Y결선, V결선이라는 세 가지 종류가 있습니다. 각각의 특징을 설명해드리겠습니다.

1. 환상 결선 (Delta Connection): 환상 결선은 변압기의 각 코일이 삼각형 모양으로 연결된 형태입니다. 이러한 연결 방식은 선간 전압 간격이 120도로 이루어져 있으며, 전압이 선으로 직접 전달되기 때문에 전압 강하가 적습니다. 따라서 환상 결선은 전압 강하가 적고 전류가 높은 고 전력 시스템에 주로 사용됩니다. 또한, 환상 결선은 전압의 변환 비율이 낮아 전압 변환에 적합한 구조입니다.
   
   
2. Y결선 (Star Connection): Y결선은 변압기의 각 코일이 Y 모양으로 연결된 형태입니다. 이러한 연결 방식은 선간 전압 간격이 120도로 이루어져 있으며, 중간 점이 형성되어 이를 중성점이라고 합니다. Y결선은 중성점을 통해 대지로 연결되어 있어, 중성점을 기준으로 선간 전압이 형성됩니다. 이로 인해 Y결선은 전압 강하가 크지 않고 전류가 낮은 저전력 시스템에 주로 사용됩니다. 또한, Y결선은 전압 변환에 유리한 구조이며, 변압기의 중성점을 이용해 중성점 연결이 편리하다는 장점이 있습니다.
   
   
3. V결선 (V Connection): V결선은 변압기의 각 코일이 V 모양으로 연결된 형태입니다. 이러한 연결식은 선간 전압 간격이 180도로 이루어져 있으며, 전압이 선으로 직접 전달되기 때문에 전압 강하가 적습니다. V결선은 환상 결선과 유사한 특성을 가지고 있으며, 전압 변환에 적합한 구조입니다. 주로 고 전력 시스템에서 사용되며, 환상 결선과 마찬가지로 전압 변환 비율이 낮아 전압 변환에 용이합니다.

3상 결선 중에서는 시스템의 용도, 전력 요구량, 전압 변환 등을 고려하여 적절한 결선 방식을 선택해야 합니다. 각각의 결선 방식은 특정한 용도와 조건에 맞게 설계되어 있으며, 전력 시스템의 안정성과 효율성을 고려하여 선택되어야 합니다.

 

변압기의 병렬운전 조건 (단상과 3상 구분)

변압기의 병렬운전은 여러 개의 변압기를 병렬로 연결하여 전력을 분배하거나 용량을 증가시키는 방식입니다. 단상일 경우와 3상일 경우의 병렬운전 조건을 각각 설명해드리겠습니다.

단상 변압기의 병렬운전 조건

• 정격 전압(VR)과 주파수(f)가 동일해야 합니다.
• 직렬 연결된 전압 감시 장치로 전압의 불균형을 제어해야 합니다.
• 정격 전류(IR)의 비율이 같아야 합니다.
• 코일의 직렬 저항과 직렬 리액턴스가 같아야 합니다.
• 변압기의 턴 수가 같아야 하며, 변압비(ratio)도 같아야 합니다.

3상 변압기의 병렬운전 조건

• 정격 전압(VR)과 주파수(f)가 동일해야 합니다.
• 각 변압기의 선간 전압 간격이 동일해야 합니다.
• 각 변압기의 중성점 연결이 일치해야 합니다.
• 변압기의 턴 수가 같아야 하며, 변압비(ratio)도 같아야 합니다.
• 직렬 연결된 전압 감시 장치로 전압의 불균형을 제어해야 합니다.

 

병렬운전을 위해서는 각 변압기의 전압, 전류, 리액턴스, 저항, 턴 수 등이 유사한 조건을 만족해야 합니다. 불균형이 발생하거나 조건이 일치하지 않을 경우 전력 분배의 효율성과 안정성에 문제가 발생할 수 있으므로, 병렬운전 시에는 이러한 조건을 엄격히 준수해야 합니다.