21. 단상 변압기

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목차

1. 실험목적

  • 변압기의 전압비, 전류비 확인
  • 변압기 여자전류, 전압전류 용량 및 단락전류 확인

2. 개 요

변압기는 전기 장비중 가장 널리 쓰이는 장치의 하나이다. 변압기는 트랜지스터 라디오에 쓰이는 소형에서부터 중앙 전력 공급 장치에 쓰이는 대형 변압기까지 다양한 종류가 있으나, 모든 변압기들은 동일한 기본 특성을 갖고 있다.
두개의 코일 또는 권선 사이에 상호 유도 현상이 존재할 때, 하나의 권선을 통과한 전류변화는 다른 권선에 전압을 유도한다. 모든 변압기는 하나의 1차 권선과 하나 이상의 2차 권선을 갖추고 있다. 1차 권선은 전원공급장치로 부터 전기에너지를 받고 이 에너지를 자계의 변화를 통해 2차 권선으로 전달한다.
에너지는 2차 권선에서 기전력(electromotive force)으로 나타나며, 2차 권선에 전기적 부하가 연결되어 있으면, 에너지는 전력의 형태로 부하에 전달된다. 이와 같이 전기에너지는 두 회로 사이에 전기회로적으로 직접 연결되어 있지 않아도, 자기적인 성질로 연결이 가능한 것이다.
변압기가 교류 전력의 배전에 있어서 필수적인 이유는 주어진 교류 전류 및 전압의 크기를 변환 시킬 수 있기 때문이다. 변압기가 작동할 때, 권선內에 흐르는 교류전류는 철심內에 교류 자계를 형성된다. 이 전류와 자계의 현상은 결과적으로, 동손 및 철손의 형태로 손실을 유효전력의 형태로 발생하며 변압기를 가열하게 된다. 이와 같은 이유 때문에 1차 권선에 전달된 전력은 항상 2차 권선에 의해 전달된 전체 전력보다 약간 크다. 그러나, 그 크기가 작으므로 대부분의 변압기에 대해 개략적으로 아래와 같이 말할 수 있다.
(a) 1차 전력(Watts) = 2차 전력(Watts)
(b) 1차 피상전력(VA) = 2차 파상전력(VA)
(c) 1차 무효전력(Var) = 2차 무효전력(Var)
1차 전압이 정격전압보다 커지면, 철심은 포화(saturate)되기 시작하고, 자화(여자)전류는 빠르게 증가한다. 변압기는 예기치 못한 사고로 인해 단락되기 쉽다. 단락전류는 경우에 따라서 매우 클 수도 있으므로 빨리 차단시키지 않으면, 변압기를 순식간에 태울 수 있다.

3. 준 비 물

  • 변압기 EMS 8341
  • 전원공급장치(0-120/208Vac) EMS 8821
  • AC 전압계(100/100/250/250V) EMS 8426
  • AC 전류계(0.5/0.5/0.5A) EMS 8425
  • 리드선 EMS 8941
  • 오옴 메타 EMS 8946

4. 실 습

♣ 주 의
이 실험에는 고전압이 사용되므로 전원을 켠 채로 연결하지 말아야 한다.
각각의 측정이 끝난 후 즉시 전원을 꺼야한다.
1. 연결단자, 결선 및 변압기에 주목하며 변압기 EMS8341의 구조를 살펴본다.
a) 변압기의 코어(core)가 얇은 강판으로 되어 있음을 살펴본다.
b) 변압기의 권선이 변압기 코일에 장착된 단자에 나와 있음을 살펴본다.
c) 이 권선들이 모듈표면에 장착된 연결단자로 연결됨을 살펴본다.
2. 모듈표면에 표시된 세개의 개별 변압기권선들을 살펴본다.
a) 세 권선이 정격전압을 열거한다.
단자 1-2 = _____________ Vac
단자 3-4 = _____________ Vac
단자 5-6 = _____________ Vac
b) 다음 연결단자 사이의 정격전압을 열거한다.
단자 3-7 = _____________ Vac
단자 7-8 = _____________ Vac
단자 8-4 = _____________ Vac
단자 3-8 = _____________ Vac
단자 2-4 = _____________ Vac
단자 5-9 = _____________ Vac
단자 9-6 = _____________ Vac
c) 다음 연결의 정격전류를 열거한다.
단자 1-2 = _____________ Vac
단자 3-4 = _____________ Vac
단자 5-6 = _____________ Vac
단자 3-7 = _____________ Vac
단자 8-4 = _____________ Vac
3. 오옴메타기를 가장 낮은 범위에 설정하고, 각 권선의 직류저항을 측정, 기록한다.
단자 1-2 = _____________ 오옴
단자 3-4 = _____________ 오옴
단자 3-7 = _____________ 오옴
단자 7-8 = _____________ 오옴
단자 8-4 = _____________ 오옴
단자 5-6 = _____________ 오옴
단자 5-9 = _____________ 오옴
단자 9-6 = _____________ 오옴
4. 1차 권선에 가해진 120Vac로 무부하의 2차 전압을 측정한다.
a) 그림 17-1 과 같이 회로를 연결한다.
b) 전원공급장치를 켜고 120Vac(단자 4와N)로 조정한다.
c) E2의 출력전압을 측정, 기록한다.
d) 전압을 0으로 돌린 후 전원을 끈다.
e) 아래 열거한 각 권선의 출력전압 E2를 측정한다. (b,c,d,를 반복)
f) 권선 1-2 = ______________ Vac
권선 3-4 = ______________ Vac
권선 5-6 = ______________ Vac
권선 3-7 = ______________ Vac
권선 7-8 = ______________ Vac
권선 8-4 = ______________ Vac
권선 5-9 = ______________ Vac
권선 9-6 = ______________ Vac
Fig. 17-1
5. 다음의 실험을 실행한다.
a) 측정전압과 정격전압이 일치하는가를 살펴본다.
b) 자화(여자)전류 값을 측정한다.
6. 권선 1-2 와 5-6은 각각 500의 코일 권수를 가진다.
권선 3-4 는 코일권수가 865이다. 다음의 권수비를 계산한다.
a)  \frac{{coil 1 - 2}}{{coil 5 - 6}}\ = _____________
b)  \frac{{coil 1 - 2}}{{coil 3 - 4}}\ = _____________
7. 다음의 실험을 실행한다.
a) 그림 17-2의 회로를 연결한다. 전류계 I2 가 권선 5-6을 단락 시킴에 주목한다.
b) 전원을 켠 후, 단락전류 I2 가 0.4Aac가 될 때까지 전압을 점차로 증가시킨다.
c) E1, I1, I2 를 측정, 기록한다.
Fig. 17-2
d) 전압을 0으로 돌린 후, 전원을 끈다.
e) 전류비를 계산한다.
I1/I2 = _______________
f) 전류비와 권수비가 일치하는가?
8. 다음의 실험을 실행한다.
a) 그림 17-3 의 회로를 연결한다. 권선 3-4가 전류계 I3에 의해 단락됨에 주목한다.
b) 전원을 끈 후, 1차 권선 I1을 통한 전류가 0.4Aac가 될 때까지 전압을 점차적으로 증가시킨다.
c) I3와 E1을 츶정, 기록한다.
I3 = ________________ Aac
E1 = ________________ Vac
d) 전압을 0으로 돌린 후 전원을 끈다.
e) 전류비를 계산한다.
I1/I3 = _______________
f)전류비와 권수비가 일치하는가?
Fig. 17-3
9. 자기 포화(core saturation)가 변압기의 여자전류에 미치는 효과를 살펴본다.
a) 그림17-4 의 회로를 연결한다. 전원 공급장치의 단자 4와5 가 사용됨에 주목한다. 이 단자들은 0 ~ 208Vac 를 공급한다.
b) 전원을 켜고, (단자 4와5 를 지나 전압계에 나타난)25Vac 에 맞춘다.
c) 도표17-1 에 열거한 각 입력전압의 여자전류 I1 과 출력전압 E2를 측정, 기록한다.
d) 전압을 0으로 돌린 후 전원을 끈다.

Fig. 17-4

Table 17-1

E1
 Vac 
I1
 mAac 
E2
 Vac 
25
50
75
100
125
150
175
200
10. 다음의 실험을 실행한다.
a) 기록된 전류값을 그림17-5 의 그래프상에 나타낸다. 각 점들을 연결하여 그래프를 완성시킨다.
b) 입력전압이 어느 값에 도달한 후 자화전류는 급격히 증가한다.
c) 두 권선사이의 전압비는 자기포화에 의해 영향을 받는가?
Fig. 17-5

5. 실습평가

1. 만일 2차 권선 9-6 을 통한 단락전류가 1Aac 이라면, 1차 권선 1-2 를 통한 전류는?
2. 2차 권선 7-8 이 단락되었고 1차 권선 5-6 이 0.5Aac 인 경우?
a) 권선 7-8 을 통한 단락전류를 계산한다.
b) 이와 같은 실험이 신속히 행하여져야 하는 이유는?
3. 권선 3-4 에 120Vac가 가해졌을 경우, 아래의 전압들을 구한다.
a) 권선 1-2 = _____________ Vac
b) 권선 5-9 = _____________ Vac
c) 권선 7-8 = _____________ Vac
d) 권선 5-6 = _____________ Vac
4. 실험절차 7의 두 권선중 어느 것이 대부분의 열을 소모하는가? 설명하시오.
5. 권선 5-6 이 단락된 상태에서 권선 1-2 에 120Vac가 가해진 경우 
a) 각 권선의 전류는?
b) 이 전류는 표준치보다 얼마나 높은가?
c) 이러한 조건하에서 표준치보다 얼마나 더 많은 양의 열이 권선內에 발생하였는가?

6. 정 답

실 습

2. a) 120, 208, 120
b) 104, 76, 28, 180, 104, 60, 60
c) 0.5, 0.3, 0.5, 0.3, 0.3
3. 8.2, 29, 14, 10.8, 4, 8.5, 4.2, 4.5
4. f) 120, 208, 120, 104, 76, 28, 60, 60
5. a) 예. 측정 오차 및 메타의 공차로 인한 변동이 발생될 수도 있다.
b) 아니오. 여자 전류는 비교적 작으므로 (20 mA) 500mA 메타를 사용하면 측정이 어려워진다.
6. a) 500/500 = 1
b) 500/865 = 0.578
7. c) 0.4, 10, 0.4
e) 0.4/0.4 = 1
f) 예. 권수비와 전류비의 관계는 N1/N2 = I2/I1 이다.
8. c) 0.23, 7.5
e) 0.4/0.23 = 1.74
f) 예. 권수비의 역은 1/0.578 = 1.74 로써 전류비와 같다.
9. c) 10. a)

E1
 Vac 
I1
 mAac 
E2
 Vac 
25 6.0 25
50 9.5 50
75 12.5 75
100 16.0 100
125 21.0 125
150 29.5 150
175 46.5 175
200 81.0 200

c) 아니오. 전압비는 권수비에 달려 있다.


실습평가

1. N1-2 = 500 turns
N9-6 = 1/2 (권선 5-6의)
N5-6 = N1-2
N9-6 = 250 turns
I1-2/I9-6 = N9-6/N1-2 ; I1-2 = I9-6 × N9-6/N1-2 ; I1-2 = I × 250/500 = 0.5Aac

2. a) I2 = I1 × E1/E2 = 0.5 × 120/76 = 0.79 Aac
b) 전류의 정격이 초과되어 권선이 과열된다.

3. a) 69.2
b) 34.6
c) 43.8
d) 69.2

4. 1-2. 주권선 1-2의 I2R 손실이 보조권선 5-6의 I2R 손실 보다 높다.

5. a) E1 = 10 Vac, I1 = I2 = 0.4Aac 일 때, I2 × E1/E2 = 0.4 × 120/10 = 4.8 Aac
b) 일반값은 0.5Aac 이다. 단락회로의 전류는 4.8 Aac 또는 일반값의 9.6배이다.
c) Pnormal = 0.5 × 120 = 60W
Pshort = 4.8 × 120 = 576W
576/60 = 9.6배

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