2020. 6. 1. 18:34ㆍ전기공부/변압기
10. 변압기의 여자전류는 정현파가 아니다.
1.변압기 여자전류의 왜곡
- 변압기의 여자전류는 왜곡된 형태를 띄고 있다.
2.변압기 여자전류의 3고조파
- 정격전압보다 조금만 높게 사용해도 변압기에 손상이 생길 수 있다.
1. 변압기 여자전류의 왜곡
- 변압기의 여자전류는 왜곡된 형태를 띄고 있다.
앞서 보았듯이 변압기의 여자전류(Io)는 변압기의 철심을 자화시키는 역할을 한다. 여자전류는 철심에 자속(Φ)을 생성하고 자속이 2차측의 코일을 지나면서 1,2차측 권수비에 따라 1차측 전압을 2차측에서 변압하여 전달한다. 이 때 1차측에서 보낸 전압원(V1)이 정현파면 여자전류(Io)와 철심에 만든 자속(Φ) 둘 다 정현파 형태라고 생각하겠지만 실제로 여자전류는 정현파가 찌그러진듯한 모양이 된다.
변압기에 사용되는 철심은 자성체이기 때문에 전류를 흘리게 되면 자화특성곡선을 따른다. 위의 그래프처럼 어느구간까지는 전류(Io)를 흘려주면 자속(Φ)이 선형적으로 증가하지만 그 이상의 전류를 흘리게 되면 어느 순간 철심이 포화돼서 자속이 증가하지 않는다.
선형적인 구간에서는 전류가 증가하면 비례하여 자속이 증가하지만, 비선형적인 구간에서는 그렇지 못한다. 변압기의 철심이 설계될 때는 포화되기 직전인 구간으로 여자전류(Io)를 설계하므로 비선형적인 구간이다. 그러므로 여자전류 혹은 자속 둘 중 하나에 왜곡이 발생하게 된다.
그러면 둘 중에 어느 쪽에 왜곡이 발생할까? 답은 여자전류다. (단상변압기의 경우)
1차측의 전압원(V1)에서 보낸 정현파는 철심 1차측 코일에 그대로 유기된다. 1차측 코일에 유기된 유기기전력(E1)은 전압원(V1)이 보낸 정현파의 모양과 크기를 유지하려는 힘이 강하다. (대신 V1과 E1의 위상은 180도 차이) E1은 dΦ/dt 를 따르므로 자속(Φ)이 정현파를 유지하려는 힘이 강하다고 볼 수 있다. 자속이 정현파를 유지하므로 여자전류에서 왜곡이 발생하게 된다.
이때 여자 전류의 왜곡된 파형은 대칭적이지 못하고 비대칭적이다. 이유는 철심이 히스테리시스곡선을 따르기 때문이다. 왼쪽 빨간색 그래프처럼 정상적인 자화특성곡선을 따라가지 못하고 철심특성상 검은색그래프처럼 히스테리시스곡선을 따라가기 때문에 여자전류의 비대칭적인 왜곡이 발생한다.
2. 변압기 여자전류의 3고조파
- 변압기에 정격전압보다 조금만 높은 전압을 사용해도 변압기에 손상이 생길 수 있다.
왜곡된 여자전류를 분석해보면 3고조파를 많이 포함하고 있다. 전압원(V1)의 주파수가 60Hz라고하면 여자전류는 이것의 3배인 180Hz의 3고조파를 많이 포함하고 있다. 위에서 말했듯이 변압기를 설계할 때 포화에 가깝게 설계하기 때문에 정격전압을 조금만 높여서 사용해도 여자전류의 급격한 증가, 3고조파의 급격한 증가로 변압기의 손상이 일어날 수 있다.
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