건국대 전력전자연구실
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Ch.2 Transformers
교류여자기기
- 변압기의 개요- 이상변압기- 철심특성
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<제2장> 2.0 변압기의 개요
1) 원리 : 전자유도 법칙
2) 정의 : static transformer - 전자력을 매개로 하여 전자유도작용에의해 한 권선(1차측)의 유입교류전력을 다른 권선(2차측)에
동일주파수의 교류전력으로 변환하는 정지형(static) 유도장치
1. 변압기의 원리 및 정의
2. 변압기의 기본 구조
1) 기본 구조 : 전기회로 2개 , 자기회로 1개- 2개의 전기회로가 자기회로를 중심으로 자기적으로 결합된 구조- 2개의 전기회로가 전기적으로는 절연된 구조
2) 실제 구조- 철심(core) : 성층철심 - 자기회로 구성- 권선(winding) : 독립된 2개의 권선 – 전기회로 구성
① 1차권선(primary winding) ; 전원측에 연결되는 권선 - input winding② 2차권선(secondary winding) ; 부하측에 연결되는 권선 - output winding
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<제2장> 2.1 변압기가 현대 생활에 중요한 이유
- 미국에서(1) 120V의 저전압 직류전원 공급계통이 최초로 개발됨(2) 1882년 9월 뉴욕에서 첫 central power station이 운전개시(3) 저압 & 대전류로 인해 선로의 전력손실이 커서 비효율적임
(직류계통의 송전반경= 1.6km정도 이었음)
- 그 당시(1) 변압기를 포함한 교류전원계통은 저압 직류계통의 단점 해결(2) 전압크기의 조정으로 선로손실을 대폭 축소
<예> 전류를 1/10 로 줄이면 전력손실은 1/100 로 줄어 듬
(3) 4000V의 19km-교류계통 선로 설치<예> 공급반경이 12배로 되어 서비스면적은 140배로 커짐
RIP 2 =
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<제2장> 2.1 변압기가 현대 생활에 주요한 이유
1831년 Faraday 유도 링(induction ring) ; 최초의 변압기
→ 전자유도법칙의 발견
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<제2장> 2.1 변압기가 현대 생활에 주요한 이유
1885년 William Stanley 첫 상용화 변압기
→ 1886년 미국내 교류계통을 최초 적용
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<제2장> 2.1 변압기가 현대 생활에 주요한 이유
1886년 Elihu Thomson 전기용접기용 변압기 개발
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<제2장> 2.1 변압기가 현대 생활에 주요한 이유
Charles P. Steinmetz - engineering wizard
1892 magnetic resistance → Reluctance
1893 wattless resistance → Reactance
- 히스테리시스에 관한 이론적 정립→ Steinmetz의 실험식
- 변압기의 등가회로를 제안→ 교류여자기기의 해석적 근거 제시
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<제2장> 2.1 변압기가 현대 생활에 주요한 이유
전기공학을 높은 수준으로 끌어올려 놓은 Steinmetz
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<제2장> 2.1 변압기가 현대 생활에 주요한 이유
1921년 A. Einstein과의 만남
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<제2장> 2.1 변압기가 현대 생활에 주요한 이유
M. G. Marconi 와의 만남 - 무선전신의 발명
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조
(1) 변압기의 기능
① 전압 및 전류의 변화 – 변압기의 고유기능
② electrical isolation – 직류신호 차단, 안정성
③ Impedance matching – 통신회로에서 이용
(2) 일반적인 분류
- 응용 분야기준으로 분류하면
① 전력용 변압기 (power transformer) - 송배전계통용
② 전자용 변압기 (electronics transformer) - 300VA 이하 전자제품용 변압기
③ 계기용 변압기 (instrument transformer) - 변성기, 변류기
④ 특수용 변압기 (specialty transformer) - 정전류변압기, 정전압변압기 등
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조
다른 방식의 분류를 살펴보면 다음과 같다.
- 권선수에 따라 : 1권선, 2권선, 다권선(예컨대, 3권선 변압기 등)
- 다상 결선법에 따라 : ∆결선, Y결선, 대각결선, 포크결선 등
- 전압레벨에 따라 : 송전용, 변전용, 배전용
- 사용주파수에 따라 : 전력용, audio용, 고주파용
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조
단상변압기의 외관 - 외철형 변압기
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조
3상 변압기의 외관 – 3상 내철형 변압기
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조
단상변압기 3상 변압기
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조
3상 대용량 변압기 컨서베이터
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조
(3) 구조ⅰ) 내철형(core-type transformer) ; 소용량의 배전용 변압기ⅱ) 외철형(shell-type transformer) ; 대용량 변압기ⅲ) 권철심형(wound-type transformer) ; 주상변압기
↓ ↓
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조
(4) 변압기 철심부분의 명칭
① 각(leg) ; 수직으로 서 있는 철심부분② 계철(yoke) ; 각(leg)을 연결하는 철심부분③ 창(window) ; 각(leg)과 계철(yoke)로 구성되는 창형태의 공간
① ①
①① ①
②
②
③ ③
③
② ②
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조 – 변압기 권선
(1) 권선의 종류
① 직권(direct winding) : 성층된 철심상 절연하고 그 위에 직접 감는 권선형태- 권선의 점적율은 좋고 주로 소용량에 적용함- 중용량 이상 적용시 제작이 어렵고 고장시 수리가 곤란
② 형권(formed winding) : 나무, 플라스틱 등의 절연통 위에 미리 지정된 크기로감아 놓는 권선형태
- 가장 많이 쓰이는 권선형태로 원통형 및 판형 권선이 있음
<원통형 권선>
<판형(평형) 권선>
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조 – 변압기 권선
(2) 권선의 배치
① 동심 배치 ; 형권중 원통형 권선을 활용한 동심원적인 배치구조- 철심상에 저압권선을 감고, 그 위에 고압권선을 감는다- 주로 소용량에 많이 쓰이며 고전압 변압기에 적합(절연 용이)
② 교대 배치 ; 형권중 판형 권선을 활용한 고압 및 저압 권선을 교대로 배치한 구조- 판모양으로 성형한 고압권선과 저압권선을 샌드위치식으로 배열한다– 주로 대용량에 많이 쓰이며 대전류 변압기에 적합(누설자속이 작음)
<교대배치><동심배치>
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(1) 주요 요건
① 재질의 요건 - 높은 투자율을 가지고 히스테리시스 루프면적이 적어야 함
② 구조의 요건 - 강판의 절연 성층
(2) 변압기 강판
① 규소강판 - 규소가 4% 정도 함유된 0.3mm정도의 강판 사용
② 절연성층(laminated core) - 바니쉬처리된 규소강판을 성층
(3) 규소강판의 절연성층 목적
철덩어리를 철심으로 사용시 큰 와전류가 흘러 과대한 철손이 발생되므로
철심내 와전류 억제 및 철손 감소
<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조 – 변압기 철심
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조 - 변압기 철심
(4) 절연성층된 규소강판
- I 자 & U 자 철심 으로 변압기 철심을 구성함
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조 – 점적율(space factor)
① 권선의 점적율
= 0.4 이하
② 철심의 점적율
창면적 변압기의
권선수권선단면적´
철심전체두께 - 층간절연물두께
철심전체두께= 0.9 정도
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조 - 내철형 변압기
(1) 내철형 변압기(core-form transformer)
- 철심이 하나의 자기회로로써 구성되어 있고- 권선이 철심의 각(leg) 부분에 감겨 있음 → 권선이 철심을 감싸고 있는 구조
- 냉각 용이, 권선의 손상 파악 용이 <용도> 소용량의 배전용 변압기
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<제2장> 2.2 변압기의 유형 및 구조
(2) 외철형 변압기(shell-form transformer)
- 철심이 2개의 자기회로로 구성되어 있고- 권선이 철심의 각(leg) 부분에 감겨 있음 → 철심이 권선을 감싸고 있는 구조
- 여자전류 축소, 고장시 곤란 <용도> 대용량 변압기
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이상변압기Ideal Transformer
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<제2장> 2.3 이상변압기 – 정의 및 조건
(1) 정의 : 에너지손실이 없고 누설자속도 없으며 1차 및 2차 권선의자기 인덕턴스(self inductance)가 무한대인 이상적인변압기
(2) 가정/조건조건① 권선저항 = 0조건② 누설리액턴스 = 0조건③ 철손 = 0조건④ 투자율 = ∞
(3) 조건의 분석① 권선저항이 없으므로 저항손실이 존재하지 않음② 누설리액턴스가 없는 것은 자속의 누설이 없이 완전한 결합
(complete coupling)임을 뜻함③ 와전류 및 히스테리시스 특성이 없음을 뜻함④ 투자율이 무한대라 함은 자속을 위한 자화전류가
극히 적음을 뜻함(무한소)
Nf1i
1V 1e
1N 2N
2e
f 2i+
- -
++
-
+
-2V
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<제2장> 2.3 이상변압기 – 자화특성곡선
이상변압기의 자화특성곡선은 다음과 같다.
Nf1i
1V 1e
1N 2N
2e
f 2i+
- -
++
-
+
-2V
- 투자율=무한대 라 함은 곡선의 기울기가 무한대로 됨을 의미
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<제2장> 2.3 이상변압기 – 권선비
aNN
tvtv
S
P
S
P )()(
==
(2) 권선비의 정의 : 2차권선에 대한 1차권선의 비율
S
P
NNa =
aNN
tete )()(
2
1
2
1 ==
2
1 NNa =
앞의 식에서 권선비를 다시 살펴보면
또는
또는
↑ ↑전압비 권선비
<주의> 1차 및 2차의 표현 – 교재와 실용상 달라서 통일함첨자 “p” → 첨자 “1”로, 첨자 “s” → 첨자 “2”로 함
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<제2장> 2.3 이상변압기 – 자속과 전원전압의 관계
(3) 단자전압, 권선의 유기기전력과 자속의 관계
이로부터 자속 을 구하면 다음과 같다.
tVtv wsin2)( 11 =
교류전원이 다음과 같이 주어지고
)(tf
0 )( )( 11 =- tetv
다음의 관계식에서 자속 을 구할 수 있다
tN
Vdtd wf sin2
1
1=dtdNe f
11 =
)90sin()( °-F= tt m wf
)(tf
① KVL eq에서
② 파라데이법칙에서→
여기서, 자속은 공급전압보다는 그 위상이 만큼 지연됨°90
(자속의 최대치 )1
12NV
m w=F
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<제2장> 2.3 이상변압기 – 전원전압과 유기전압의 관계
(4) 전원전압과 권선의 유기기전력의 관계
교류전원에 의해 정현파 자속 이 발생되면1차 및 2차 권선에는 다음의 유기기전력이 발생된다.
f=1 1 de N dt
f=2 2 Nde N dt
)(tf
Nf1i
1V 1e
1N 2N
2e
f 2i+
- -
++
-
+
-2V
- 자속이 정현파일 경우 자속의 미분형태로표현되는 1차 및 2차 기전력이 정현파로 된다.
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(5) 전원전압과 권선의 유기기전력의 크기
정현파 자속 에 의해 1차 및 2차 권선의 유기기전력을 구해 보자)(tf
)90sin()( °-F= tt m wfdtdNe f
11 = ←
tEtN mm www sin )90cos( 11 =°-F=
- 1차권선의 유기기전력 2/ 11 mNE F= w
mm fNNfE F»F=\ 111 44.4 2
2 p
← f 2pw =
- 1차 공급전압 2
2 11 mNfV F»p
<제2장> 2.3 이상변압기 – 전원전압과 유기기전력의 크기
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)()( 2211 tiNtiN =aN
Ntiti 1)()(
1
2
2
1 ==
(6) 1차 및 2차 전류
철심내에는 주자속과 반작용자속이서로 상쇄하는 작용을 하므로
정상상태에서 철심내에는총 기자력의 총합 mmf=0 으로 된다.
fº-+=Á )( 2211 iNiN
지금 2차측의 단자에 부하가 연결되어 전류 가 흐르고전원측에는 전류 이 흐른다고 하자
)(2 ti)(1 ti
조건④에서 투자율 = ∞ 이므로 자기저항 = 0으로 되어 기자력으로 된다. 여기서 1차전류와 2차전류의 관계를 구할 수 있다.
→
0Á =
<제2장> 2.3 이상변압기 – 1차 및 2차 전류
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<제2장> 2.3 이상변압기 – 1차 및 2차의 관계
이상변압기에서는
① 1차 전압과 2차 전압의 비 = 권선비
② 1차 전류와 2차 전류의 비 = 권선비의 역수
aNN
titi 1 )()(
1
2
2
1 ==
aNN
tete
tvtv
)()(
)()(
2
1
2
1
2
1 =º= - 1차 전압과 2차 전압은 동상이다- 유기기전력의 비와 권선비는 항상 같다- 단자전압의 비는 무부하일 경우에만
권선비와 같다
- 1차 전류와 2차 전류는 동상이다- 2차전류가 흐르지 않으면 1차전류도
흐르지 않는다(2차가 open되면 1차도 practically open)
↑ ↑ ↑무부하시 유기기전력의 권선비
단자전압비 전압비
↑ ↑전류비 권선비의 역수
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<제2장> 2.3 이상변압기 – 1차 및 2차 전력의 관계
① 1차 전력
② 2차 전력
1111 cos qIVP =
2222 cos qIVP =
aVV 1
2 = 12 aII =
211 cos)( qaI
aV
=
← 회로내 손실이 없으므로1차 전력과 2차 전력의 크기는 동일하다
11112 cos PIVP == q
앞의 전압 및 전류의 관계에서
1차 및 2차 전력의 관계를 구해 보자
및 을 이용하여
2222 cos qIVP = ←aVV 1
2 = 12 aII =
← 21 qq =
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① 무효전력
② 피상전력
- 1차측 무효전력과 2차측 무효전력의 크기는 동일하다- 1차측 피상전력과 2차측 피상전력의 크기는 동일하다
- 변압기에서 모든 전력의 크기는 1차와 2차에 무관하게 같다
22221111 sinsin QIVIVQ === qq
222111 SIVIVS ===
aVV 1
2 = 12 aII =이 경우에도 두 조건식을 사용하여 정리함 ;
<제2장> 2.3 이상변압기 – 피상전력과 뮤효전력
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2
2
IVZL =
1
1'
IVZL =
2
22
2
2
1
2
1
1'
/ IVa
aIaV
IaV
IVZL ====
LL ZaZ 2' =\
권선비 인 이상변압기의 2차측에 부하 을 연결할 경우전원측에서 본(구동점) 임피던스의 크기를 살펴보자
- 부하측 임피던스는 권선비의 제곱크기만큼 구동점으로 환산된다- 이를 이용, 부하에 최대전력전달을 위한 임피던스 매칭 가능함
↓
LZa
① 부하
② 구동점 임피던스
구동점 임피던스 에 앞의 두 조건을 대입하면
①②
aVV 1
2 =
12 aII =
'LZ
←
<제2장> 2.3 이상변압기 – 임피던스 변환
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다음과 같이 변압기가 포함된 어떤 회로를 해석하는 방법을 생각해 보자
1) 부하측의 변압기에서부하Zload를 1차측으로 변환한다
LL ZaZ 2' =
2) 변환된 부하와 선로 임피던스를전원측에서 본 새로운 등가임피던스로 또 변환한다
3) 변압기가 모두 제거된 하나의 폐회로에서 필요한 값을 구해 나간다
* 권선비>1 이므로 부하크기가100배로 되었음에 주의
* 권선비<1 이므로 모든 임피던스가1/100배로 축소되었음에 주의
<제2장> 2.3 이상변압기 – 이상변압기가 포화된 회로의 해석
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<제2장> 2.3 이상변압기 – memoryless 특성
(7) 이상변압기는 에너지를 축적하지 않는다변압기 1차권선에 공급되는 순시전력 은
Nf1i
1V 1e
1N 2N
2e
f 2i+
- -
++
-
+
-2V
전압 및 전류의 관계를 이용하여 정리하면손실이 없으므로 1차 및 2차 순시전력은 동일하다는 결론
)( )( 21 tptp =
2차권선의 순시전력 를 구하면
<요점> 1차측으로 공급된 순시전력은 이상변압기내에서 전혀 머물지 않고바로 부하측으로 전달된다
→ 두 권선에 의한 자속들의 상쇄작용으로 에너지 축적이 불가함
)()()( 111 titetp =
)(1 tp
)(2 tp
)()()( 222 titetp =
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<제2장> 2.3 이상변압기 – 무한대의 투자율
(8) 이상변압기의 자기 인덕턴스는 무한대 이다
변압기의 공급전원 에 의해 전류 가 흐른다고 하자
dttdiLtv )()( 1
11 =
지금 1차전류 는 그 크기가 일정값 이하이고 그 미분값도 어떤 한계를넘어가지 않는 유한한 값이다. 그런데 조건 ④에서 투자율이 무한대라고했으므로 이 무한대가 되어, 결국 는 무한한 크기를 가져야 한다.
그러나, 실제 전원전압은, 예컨대 실효치 100V를 갖는 유한한 값이다. 모순 발생 !
)(1)( 21 tia
ti =
(단, 은 1차 권선의 자기 인덕턴스 임)
그러면 이상변압기에서는 어떠한 전류도 유입되지 않고 자속이 생기게 되는또 다른 모순이 생긴다. (2차가 open되면 1차도 practically open)
→ 위의 조건을 만족할 만큼의 무한소의 1차전류에 의해 일정자속이 유지된다
tVtv wsin2)( 11 =
)(1 ti
)(1 ti
1L
)(1 tv1L
0)(2 =ti→ 이면, 1차유입전류도 0으로 됨
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<제2장> 2.3 철심특성 – 인덕턴스와 자기저항
(1) 인덕턴스는 자기저항에 반비례하고 권선의 제곱에 비례한다
권선수가 인 코일이 갖는 인덕턴스의 크기를 생각해 보자
총자속쇄교수 의 표현에서
Â=\
2
NL ; 자기 인덕턴스는 ① 권선수의 제곱에 비례하고② 자기저항에 반비례하며③ 투자율에 비례한다
fÂ=Á
fl N=iL l= ←
l
iNf
=
←
분자, 분모에 권선수 을 곱하면
NiNL f2
=Á
=f2N
N
N
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<제2장> 2.3 철심특성 – 공극의 영향(1)
ò =× NidIH
① 자기회로에 암페어 주회적분법칙을 적용하면
- N = 권선수(No. of Turns),
- = 철심의 평균길이(mean path),
- = 철심의 단면적(cross-sectional area)clCA
NilH CC =\ 위의 조건을 써서 풀면
② 자계 H & 자속밀도 B의 관계→
CC HB m=
③ 자계 H & 자속밀도 B의 관계 → ò ×=A
dABf CC AB=\ f
위의 관계식을 정리하면
fCÂ=Á→fm C
C
AlNi =
(2) 공극이 없는 자기회로
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<제2장> 2.3 철심특성 – 공극의 영향(2)
(3) 공극이 있는 자기회로
ò =× NidIH
① 아래 공극을 갖는 자기회로에 암페어 주회적분법칙을 적용하면
- = 공극의 길이
gA
NigHlH gCC =+\ 위의 조건을 써서 풀면
② 자계의 세기 H & 자속밀도 B의 관계→
CC HB m=
③ 자속 H & 자속밀도 B의 관계 → CC AB=f
위의 관계식을 정리하면
ff gC Â+Â=Á→
- = 공극의 단면적
gg HB 0m=,
g
gg AB=f ,
fm
fm gC
C
Ag
AlNi
0
+=
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<제2장> 2.3 철심특성 – 공극의 영향(3)
(4) 공극이 자기회로에 미치는 영향
① 공극을 갖는 자기회로의 총 자기저항을 조사해 보면
즉, 철심의 자기저항과 공극의 자기저항의 비를 다시 살펴보면
<예시> 4% 규소강의 경우
)1( g
Cg Â
Â+Â=Á f → fg»Á
r
C
C
gg
C
C
g
C
gl
AA
gA
Al
mmmm
m1 00 »==
ÂÂ
4000 r =m 0.0001428 »ÂÂ
g
C→
<요점> 공극을 갖는 철심회로에는 공극부분에 대부분의 기자력이 집중됨
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<제2장> 2.3 철심특성 – 공극의 영향(3)
② 자계에너지
2
21 LiW =f
<요점> 공극을 갖는 철심회로에는 공극부분에 대부분의 자기에너지가 집중됨
→ 작은 공극이라도 자기회로에 미치는 영향은 매우 크다
자계에너지는 다음의 식을 토대로 구할 수 있다
Â=
2NL← fÂ==Á Ni
2
21 fÂ= 2
21 fg»
↑공극이 존재할 경우
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<제3주> 요약
1. 변압기의 개요- 간단한 역사, 정의, 구조(권선 및 철심), 기능, 분류- 주요 부분의 명칭, 규소강판의 절연성층의 이유, - 점적율(권선 및 철심), 내철형 및 외철형 변압기
2. 이상변압기- 정의 및 조건, 권선비- 전압 및 전류의 1차 와 2차의 관계, 자속과 기전력의 관계- 유기기전력의 크기, 1차 및 2차 전력(유효, 무효 및 피상) - 임피던스 변환의 특성, memoryless특성, 무한대의 투자율
3. 철심특성- 인덕턴스와 자기저항의 관계- 공극없는 경우와 있는 경우의 자기회로를 해석- 공극이 자기회로에 미치는 영향 ; 기자력, 자기에너지 등
< 본 자료는 수업자료로써 책 Electric Machinery Fundamentals (4th – Stephen J. Chapman)의 그림이 이용되었음 >