변압기란?
변압기는 전기적 교류 전압을 전자기 유도를 이용하여 변환하는 변압기입니다.
변압기는 트랜스포머라고 불리기도 합니다.. 전기제품 등은 교류 콘센트에서 전원을 공급받지만, 그 전기제품 중에는 모터 등 교류가 아닌 직류 전기로 사용하는 부품이 많이 있습니다.
또한 교류로 사용할 수 있는 부품이라도 콘센트에서 나오는 100V의 전압으로는 사용하기에 전압이 너무 높은 것도 많습니다. 그래서 전기제품은 전압과 전류를 변화시킬 목적으로 작은 변압기를 내장하여 항상 최적의 전압으로 작동하도록 하고 있습니다.
변압기의 사용 용도
변압기의 주요 사용 용도는 교류의 전압을 승압하거나 강압하기 위한 전기기기로서의 용도입니다.
큰 것은 변전소에서 발전소 등에서 보내온 고압의 교류 전압 값을 낮추기 위해 사용되며, 작은 것은 면도기 등 해외 여행지에서 콘센트의 전압을 적절한 값으로 바꾸기 위한 변압기로 사용됩니다.
변압기는 산업용, 가정용을 막론하고 다양한 용도로 사용되고 있으며, 전압 값을 적절한 값으로 변환하기 위해 없어서는 안 될 필수품이 되었습니다.
변압기의 원리
변압기의 원리는 전자기 유도의 법칙을 적용하고 있습니다.
코일에 발생하는 자기장 변동으로 인한 기전력이 변압기의 권선 수에 비례하는 물리 현상을 이용한 것입니다. 변압기의 구조는 일반적으로 철심에 두 개의 코일을 감은 형태이며, 입력측을 1차 코일, 출력측을 2차 코일이라고 합니다. 이 코일은 코일 내 자기장의 세기를 변화시켜 기전력을 발생시키는데, 1차 코일에 교류 전압을 인가하면 철심에 자기장이 발생하고 이 자기장의 전자기 유도 작용으로 2차 코일에 전류가 유도되어 기전력이 발생합니다.
2차 코일에 발생하는 기전력의 크기와 코일의 권선 수는 비례 관계에 있으며, 1차측에 대한 2차 코일의 권선 수에 따라 전압의 크기를 변화시킬 수 있습니다. 이상적인 변압기는 입력측과 출력측의 전기 용량이 같아야 하지만, 실제로는 저항에 의한 전력 손실이 있어 대부분 열로 방출됩니다.
변압기의 종류
1. 절연 변압기
절연 변압기는 교류 상용 전원에서 전원 라인과 기기의 전원을 절연하여 안전을 확보하기 위한 변압기입니다.
전원이 AC100V인 기기에서는 INPUT:100V / OUTPUT:100V의 절연 변압기가 사용됩니다. 상용전원은 100V 또는 200V의 교류전원이지만, 전력회사에서 공급되는 전원은 가장 가까운 주상변압기까지는 더 높은 전압의 전원으로 주상변압기 2차측에서 정상, 역상 100V를, 중성선에는 0V를 뽑아내어 접지하고 있습니다. 여기서 절연변압기를 사용하지 않은 기기에서 누전이 발생하면 누전된 기기에는 대지전압 100V의 전압이 걸려 있기 때문에 사람이 기기를 만지면 감전될 수 있습니다. 이런 경우 절연 변압기를 사용하면 100V 측과 중성선 측 모두 상용전원 측의 100V 측과 중성선 측으로부터 절연되기 때문에 감전을 방지할 수 있습니다.
2. 전주상 변압기
거리에서 흔히 볼 수 있는 전봇대는 전기를 공급하기 위한 전선을 고정하기 위한 기둥이기도 하지만, 변압기(주상변압기)를 설치하기 위한 기둥이기도 합니다. 전봇대는 약 1/6이 땅에 박혀 있고, 상단에는 고압전선, 그 아래에는 저압전선이 있으며, 저압전선의 조금 아래쪽에 주상변압기가 설치되어 있는 경우가 있습니다.
주상변압기는 고압전선에서 6600V를 받아 저압 측에 100V를 공급하기 위한 것입니다. 또한 저압측(2차측)에는 정상 100V와 역상 100V가 나오고, 정상-역상 사이에 200V를 얻을 수 있도록 되어 있습니다(단상 200V / 대지전압은 100V).
기둥의 고압전선은 6600V로 송전하고 있지만, 더 먼 거리를 송전하는 철탑에서는 더 높은 전압이 사용되며, 일본의 송전 최고 전압은 50만V입니다. 고압으로 송전하는 이유는 송전 손실을 줄이기 위해서다. 전선은 미세하지만 전기 저항이 있어 흐르는 전류에 비례해 전압 손실이 발생합니다. 송전 손실을 줄이기 위해서는 전류를 최대한 줄여야 하는데, 일정한 송전 전력을 유지하기 위해 고전압으로 송전하고 있습니다.
변압기의 기타 정보
변압기 구조의 내부 철심에는 실리콘강 또는 비정질 철심이 사용되지만, 비정질 철심의 경우 비용이 비싸기 때문에 실리콘 함량이 4% 정도이고 두께가 0.35mm 정도인 실리콘 판을 쌓아 올린 적층 철심이 사용되는 경우가 많습니다.
변압기 코일의 권선 방식에는 단권식과 복권식이 있으며, 1차 코일과 2차 코일을 절연할 수 있기 때문에 보통 복권식을 사용하지만, 크기가 커지거나 비용이 높아지는 등의 이유로 단권식을 사용하기도 합니다.
전압 변환 손실로 인한 발열을 방지하기 위해 변압기는 냉각이 필요합니다. 이를 위한 변압기가 유침식 변압기 또는 건식(몰드) 변압기입니다. 전자는 변압기 내부에 절연유를 담가 냉각을 도모하지만, 병원이나 오피스 빌딩에서는 방재 관점에서 바니시나 에폭시 수지에 의한 냉각 메커니즘을 도입한 건식 변압기나 몰드 변압기가 널리 보급되고 있습니다.