단권변압기 개요

 

 

자동 변압기는 1차 및 2차 역할을 모두 수행하는 단일 연속 권선을 갖고 있다는 점에서 기존의 2{0}}권선 변압기와 다릅니다. 이는 독특하고 유리한 계산 공식으로 이어집니다.

기호를 정의해 보겠습니다.

: 1차 전압 및 전류

: 2차 전압 및 전류

N₁: 1차 권선의 총 감은 수

N₂: 2차 권선의 권수(N₁의 일부)

a: 회전율

: 전자기 유도 전력(권선 용량)

: 입출력 피상전력(처리량)

 

범주	공식	설명
회전율		표준 변압기와 동일한 정의
전압 관계		출력 전압은 비율에 반비례합니다.
현재 관계		출력 전류는 비율에 정비례합니다.
출력 용량		변압기에 의해 전달되는 총 전력
전자기 용량		변압기의 물리적 크기를 결정하는 전력
용량 이점		핵심 포뮬러: a가 1에 가까울 때 이점이 가장 큽니다.

 

 

 

 

 

자동 변압기의 장점

1.더 높은 효율성, 손실 감소

• 이유:권선의 일부가 양쪽에 공통이기 때문에 공통 부분의 전류는 동일한 전력 처리량에 대한 부하 전류보다 작습니다. 이는 구리 손실(I²R 손실)을 크게 줄입니다.
• 결과:효율은 일반적으로 등가 2{0}}권선 변압기의 효율보다 높으며, 특히 권선비(K)가 1에 가까울 때(예: 230V ~ 115V) 더욱 그렇습니다.

2. 더 낮은 비용, 더 작은 크기, 더 가벼운 무게

• 이유:전도성 재료(구리/알루미늄)와 코어 재료(실리콘강)를 덜 사용하여 별도의 2차 권선을 제거합니다.
• 결과:동일한 정격 용량의 경우 자동 변압기는 2-권선 변압기보다 저렴하고 작으며 가볍습니다. 이를 통해 운송 및 설치가 더 쉽고 저렴해집니다.

3. 우수한 전압 조절 능력

• 이유:권선을 따라 여러 개의 탭이나 슬라이딩 접점(브러시)을 제공함으로써 출력 전압을 쉽고 지속적으로 조정할 수 있습니다.
• 애플리케이션:이는 정밀한 전압 제어가 필요한 실험실 및 응용 분야에서 널리 사용되는 일반적인 "가변" 또는 가변 변압기의 작동 원리입니다.

4. 단락-회로 임피던스를 낮추고 전압 조절을 개선합니다.

• 이유:1차측과 2차측은 전기적 및 자기적으로 결합되어 2-권선 변압기에 비해 누설 리액턴스가 더 낮습니다.
• 결과:다양한 부하 조건에서도 출력 전압이 더욱 안정적으로 유지되어 뛰어난 전압 조절이 가능합니다.

 

자동 변압기의 단점

1. 전기적 절연 부족(가장 중요한 단점)

• 이유:2-권선 변압기가 제공하는 자기 절연과 달리 1차측과 2차측은 전기적으로 직접 연결됩니다.
• 위험:

고{0}}전압 측의 결함(예: 고{3}}전압 서지)은 저전압 측으로 직접 전달되어 장비와 인력에게 심각한 위협이 될 수 있습니다.-

공통 권선이 파손되면 부하에 전체 입력 전압이 나타날 수 있으며 이는 매우 위험합니다.

• 함축:안전이 중요한 애플리케이션에서는 추가 절연 변압기를 사용해야 하며, 이는 비용 및 크기 이점을 무효화합니다.

2. 더 높은 단락-회로 전류

• 이유:더 낮기 때문에단락-회로 임피던스, 2차측 오류로 인해 동등한 2권선 변압기보다-단락 전류가 훨씬 더 높아집니다.-
• 요구 사항:이를 위해서는 변압기 자체의 더 높은 기계적 강도와 열 안정성은 물론 더 견고하고 더 높은 -차단 용량- 보호 장치(예: 회로 차단기 및 퓨즈)가 필요합니다.

3. 더욱 복잡한 보호

• 공유 권선은 2-권선 변압기보다 내부 전자기 관계를 더 복잡하게 만듭니다. 이는 표준 과전류 보호가 내부 결함과 정상 작동을 효과적으로 구분하지 못하기 때문에 보호 시스템(예: 차동 계전기)의 구성을 복잡하게 만듭니다.

4. 제한된 회전율 적용

• 자동 변압기의 경제적 이점은 일반적으로 1.2에서 2.0 사이의 작은 권선비(K)에서 가장 두드러집니다. 큰 비율(예: 10:1)의 경우 재료 절감 효과가 미미한 반면 격리 부족은 주요 단점이 되어 부적합해집니다.

 

 

 

1. 전력 시스템

이는 단권변압기의 가장 중요한 고용량-적용 분야입니다.

(1) 계통연계 및 전압변환

• 애플리케이션:전압 수준이 비슷한 두 개의 고전압 송전 시스템을 상호 연결합니다(예: 220kV 그리드를 110kV 그리드에 연결하거나 500kV 시스템을 330kV 시스템에 연결).
• 적합한 이유:전력 시스템에서 서로 다른 지역 그리드의 전압 수준은 상대적으로 가까운 경우가 많습니다(예: 3:1 미만의 비율). 이러한 경우 자동 변압기를 사용하는 것은 2권선 변압기보다 훨씬 경제적이므로 재료 비용, 에너지 손실 및 물리적 설치 공간을 크게 줄여줍니다.-대량 전력 전송에 있어 중요한 이점입니다.

(2) 발전소 시동/보조 변압기

• 애플리케이션:대형 화력 또는 원자력 발전 장치는 시동 중에 보조 장비(예: 팬, 펌프)에 전원을 공급하기 위해 외부 전원이 필요합니다. 이 외부 공급 변압기는 종종 자동 변압기입니다.
• 적합한 이유:발전기 자체 전압은 높은(예: 20kV) 반면, 스테이션 보조 전원 전압은 낮은(예: 6kV 또는 10kV)입니다. 전압 비율이 크지 않기 때문에 자동 변압기는 이러한 고용량 애플리케이션을 위한 비용 효율적이고 효율적인 솔루션입니다.-

(3) 3상-중성점 조정

• 애플리케이션:초{0}}초고전압(UHV) 및 초고압(EHV) 그리드에서는 시스템을 안정화하고 무효 전력 흐름을 관리하기 위해 전압을 조정해야 합니다.
• 적합한 이유:자동 변압기는 종종탭 체인저공통 권선(중립 측)에전압 조절. 이 설계는 더 넓은 조절 범위를 허용하며 탭-장비의 절연 요구 사항이 낮아 기술적으로나 경제적으로 유리합니다.

 

2. 산업 및 모터 제어

(1) 감압-전압 모터 시동(자동-변압기 시동기)

• 애플리케이션:돌입 전류를 줄이고 공급망의 전압 강하를 최소화하기 위해 대형 3상 유도 모터를 시동합니다.-
• 적합한 이유:시동 중에는 자동 변압기의 탭을 통해 감소된 전압이 모터에 적용됩니다. 모터가 정격 속도에 가까워지면 전체 라인 전압으로 전환됩니다. 이 방법은 Star-Delta 방법에 비해 더 높은 시동 토크를 제공하며 시동 전류를 제한하는 데 매우 효과적입니다. 짧은 기간 동안 사용되므로 단권변압기의 크기 및 비용 이점이 충분히 실현됩니다.

(2) 가변 AC 전압 공급 장치 및 전압 보상기

• 애플리케이션:정밀한 전압 안정성이 중요하지 않은 실험실이나 산업 장비에서 지속적으로 조정 가능한 AC 전원으로 사용됩니다.
• 적합한 이유:슬라이딩 카본 브러시가 노출된 권선 회전을 따라 움직이므로 출력 전압을 원활하게 조정할 수 있습니다. 이 설계는 간단하고 견고하며 비용이 저렴하므로 유연한 전압이 필요한 애플리케이션에 이상적입니다.

 

3. 실험실 및 테스트

(1) 가변 AC 전원 공급 장치(Variac)

• 애플리케이션:전자 실험실 및 교육 실험에서 0부터 라인 전압보다 약간 높은 조정 가능한 AC 전압을 제공합니다.
• 적합한 이유:간단하고 내구성이 뛰어나며 저렴하고 순수 사인파 출력(고체-상태 전자 조정기와는 다름)을 제공하므로 실험 및 테스트에 매우 적합합니다.

 

4. 철도 전기화

(1) 견인전원공급장치(AT 시스템)

• 애플리케이션:어떤 전기에서는철도 시스템(예: 구형 AC 시스템) 자동 변압기(AT) 급전 시스템이 사용됩니다.
• 적합한 이유:AT 시스템은 자동 변압기를 사용하여 높은 송전 전압(예: 110kV 또는 220kV)을 오버헤드 전차선에서 사용되는 전압(예: 25kV 또는 55kV)으로 낮춥니다. 동시에 통신 회선의 전자기 간섭을 줄이고 변전소 간 거리를 연장할 수 있어 고속-고속철도 및 중거리 철도-에 특히 적합합니다.

 

 

자동 변압기의 "단순성"은 단지 피상적일 뿐입니다. 디자인과 제조에는 엄격한 엔지니어링과 마스터{1}}수준의 장인정신이 담겨 있습니다.

1. 권선설계의 특징

권선은 1차 및 2차 역할을 모두 수행하므로 절연 변압기에서는 볼 수 없는 고유한 설계 복잡성이 발생합니다.

(1) 전류 분포 및 비-균일한 도체 크기:

• 핵심 과제:와인딩은 다음과 같이 구분됩니다.시리즈 권선(양측에 공통되지 않는 부분) 그리고공통 권선(입력과 출력이 모두 공유하는 부분) 이 섹션을 통해 흐르는 전류는 다릅니다.

-시리즈 권선입력 전압과 출력 전압의 차이와 관련된 "전달 전류"만 전달합니다.

-공통 권선부하 전류와 권선비의 함수인 더 ​​작은 "자동-유도 전류"를 전달합니다.

• 엔지니어링 해상도:정확한 전류 계산이 가장 중요합니다. 그만큼공통 권선은 더 작은 단면적의 도체로 감을 수 있습니다.-전류가 덜 흐르기 때문에 직렬 권선에는 더 큰 도체가 필요합니다. 이것비-균일, 가변-단면-디자인경량, 저비용, 고효율을 달성하는 데 핵심이지만 와인딩 프로세스를 상당히 복잡하게 만들어 정밀한 회로도와 툴링이 필요합니다.

(2) 전자기 균형 및 단락-회로 힘:

• 핵심 과제:고유한 구조적 비대칭성(고-전압 단자, 저{1}}전압 단자 및 탭이 모두 단일 권선에 있음)으로 인해 완벽한 달성암페어-회전 잔액절연 변압기보다 어렵습니다. 언밸런스 앰프는-강한 소리를 만들어냅니다.표유 자기장(누설 자속).
• 엔지니어링 해상도:

1. 정교한 EM 시뮬레이션:권선 배열, 높이 및 방사형 치수를 반복적으로 최적화하여 누설 자속을 최소화하려면 고급 전자기장 시뮬레이션 소프트웨어가 필수적입니다.
2. 단락-회로 전기역학적 힘 관리:단락 중에{0}}강한 누설 자기장과 상호 작용하는 대규모 결함 전류는 권선을 왜곡하고 압착하려는 엄청난 전기기계적 힘(로렌츠 힘)을 생성합니다. 자동 변압기에서 이러한 힘은 매우 비대칭적일 수 있습니다. 결과적으로,권선의 기계적 버팀대는 매우 견고해야 합니다.. 고강도-절연 스페이서, 클램핑 플레이트 및 지지 스틱을 사용하여 권선을 제자리에 단단히 고정하는 '케이지' 구조를 만들어 반복적이거나 갑작스러운 단락 충격으로 인한 변형이나 손상을 방지합니다.-

 

 

2. 전압-조절 카본 브러쉬 – "심장"과 "병목 현상"

가변 자동 변압기(variac)의 경우 슬라이딩 카본 브러시가 가장 중요하고 가장 취약한 구성 요소입니다.

(1) 엄격한 재료 요구 사항:

• 핵심 과제:브러시는 종종 상충되는 여러 속성을 동시에 충족해야 합니다.
• 엔지니어링 해상도:일반적으로 다음과 같은 재료로 만들어집니다.복합 금속-흑연 소재.

1. 그만큼석묵자체 윤활 및 내마모성을 제공하여 부드러운 슬라이딩과 긴 사용 수명을 보장합니다.
2. 그만큼금속(예: 구리, 은분말)높은 전기 전도성을 제공하여 접촉 저항을 최소화합니다.
3. 이 복합재의 정확한 비율과 소결 공정은 제조업체의 핵심 독점 비밀입니다.

(2) 접촉 신뢰성의 중요성:

• 핵심 과제:카본 브러시와 권선 사이의 경계면은 다음과 같습니다.슬라이딩 전기 접점. 어느접촉 불량치명적인 고장으로 이어집니다. 접촉 저항 증가 → 국부적인 과열 → 전기 스파크 및 아크 발생 → 권선 표면과 브러시 모두에 침식 및 영구적인 손상이 발생합니다.
• 엔지니어링 해상도:

1. 접촉면의 초정밀 가공:-권선의 노출된 접점 트랙은 순동일 수 없습니다. 반드시거울처럼 광택이 나는-부드러운 마감, 버 또는 결함이 없습니다.
2. 고급 표면 도금:이 트랙은 종종은 또는 은합금 층으로 도금됨. 은은 우수한 전도성과 내산화성을 제공하여 시간이 지나도 낮은- 접촉 저항을 유지하고 산화로 인한 열적 고장을 방지합니다.

• 열 방출 및 마모 관리:

1. 핵심 과제:접촉점은 열과 기계적 마모가 집중적으로 발생하는 곳입니다.
2. 엔지니어링 해상도:고전력-Variac에는 전용 냉각 공기 덕트가 통합되어 있거나 브러시 어셈블리를 위한 강제 냉각도 포함되어 있습니다. 또한 브러시 접촉 압력과 스프링 메커니즘을 꼼꼼하게 보정해야 합니다.-압력이 너무 낮으면 불안정성과 아크가 발생하고, 압력이 너무 높으면 기계적 마모가 가속화되고 미끄럼 저항이 증가합니다.

 

3. 컴팩트한 디자인의 열 관리

(1) 핵심 과제:자동 변압기는 동일한 정격 전력의 절연 변압기보다 더 작고 재료를 덜 사용합니다. 이것은 다음과 같이 번역됩니다.단위 부피당 더 높은 전력 손실 밀도(구리 및 철 손실), 열 방출이 더욱 어려워집니다.

(2) 엔지니어링 해상도:

• 정교한 열 설계:냉각 채널(예: 권선 내의 오일 덕트, 통풍구)의 설계는 단순히 적절할 뿐만 아니라 최적이어야 합니다. 전산유체역학(CFD)과 열 시뮬레이션은 냉각수의 흐름을 정확하게 매핑하고 잠재적인 핫스팟을 제거하는 데 중요합니다.
• 향상된 냉각 방법:

1. 기름-침수:대형 자동 변압기는 복잡한 가이드 오일 흐름 경로를 갖춘 오일-침수 냉각을 사용하여 오일이 권선의 가장 뜨거운 부분을 통과하도록 유도합니다.
2. 공냉식-:건식-형 가변 자동 변압기는 효율적인 냉각 핀을 갖추고 있으며 강제 공랭(AF) 또는 더욱 진보된 오일-강제 냉각 시스템용 팬을 통합하는 경우가 많습니다.