Transformers(변압기)의 원리와 용도 – 전장설계 기초 교육 Part5

1. Transformers(변압기) 원리와 용도

출처:운영와이스 홈페이지

변압기는 단권 변압기와 복권 변압기가 있지만, 이 글에서는 단권 변압기는 생략하도록 하겠습니다.

단권 변압기는 복권 변압기보다 가격이 저렴하고 크기, 및 무게가 작다 라는 장점이 있지만, 단권 변압기의 최대 단점은, 1차측과 2차측이 연결되어 있어 이것이 문제가 됩니다.

이것이 문제가 되는 이유는, 보통 고객사에서는 제어전원은 1차측과 2차측이 절연되어 있는 복권 변압기를 사용하라고 사양서에 명시되어 있는 경우가 많습니다. 특히, CE, UL 인증에는 무조건 절연 되어 있는 회로를 사용해야 합니다.

전열이 되어있는 복권형 변압기를 사용하는 이유는 1차측에서 보통 Contoller 는 민감한 회로 구성(콘센서, 다이오드, 트렌지스터, LED, 등)로 구성되어 있으며 이 장치들은 Surge 및 Noise 에 매우 취약한 장치 입니다. 그러므로 변압기를 1차측과 2차측이 연결되어 있는 단권형 변압기를 사용하면, 동력전원 및 메인 전원에서 들어오는 Surge, Noise 가 Controller 에 직접적으로 영향을 주게되어 최악의 경우에는 제품이 망가지는 현상이 있을 수 있습니다.

그러므로 제어전원과, 동력전원은 서로 절연되어 있는 회로가 기본이라고 생각하시면 되겠습니다.

※ SMPS 에도 조그마한 변압기가 장착되어 있어 1차측과 2차측이 절연됩니다.
[SMPS 설명 글]

• 변압기는 단권 변압기와 복권 변압기가 있지만, 산업용 에서는 절연문제로 인해 단권 변압기는 거의 사용 X
• 동력전원과 제어전원은 기구적으로 절연 되어 있는 것이(서로 영향을 주지 않는 것이) 좋음.
• CE 및 UL 인증 시, 필수로 동력전원과 제어전원은 분리 목적으로 필수로 사용.

1.1. 변압기의 원리

출처:okmindmap 홈페이지

변압기의 원리는 1차측의 전류를 흘리면, 1차 권선(코일)에 흐르는 전류에 의해 자속이 발생되고, 철심을 통해 2차권선으로 전류가 흘러 전류를 유도하는 원리 입니다.

• 기구적으로 권선(코일)과 철심은 연결되어 있지 않음.

1차 유도기전력과 2차 유도기전력은 코일의 감은수에 비례 합니다. 예를들어 380V -> 220V 강압 변압기인 경우 1차측 코일을 380번 감고, 2차측 코일을 220번 감으면 380V -> 220V 강압 변압기가 됩니다.

또한, 자기 유도 과정에서 약간의 손실이 있지만 1차 전력과 2차 전력은 같습니다. 예를들어 설명 드리면, 10W를 가진 전력을 가졌다고 생각해보면 1차 전압이 5V, 전류는 2A, 2차 전압이 10V 라면 2차 전류는 1A 입니다.

1차: 10W = 5V * 2A
2차: 10W = 10V * 1A

으로 설명할 수 있습니다.

1.2. 변압기의 용도

변압기는 보통 전압을 변동하고 싶을 때, 공급받는 전압보다 낮거나 큰 전압을 사용할 때, 이용합니다. 예를들어 공급받는 전압이 380V을 공급받지만, 내가 사용하고자 하는 기기는 220V 일 때, 전압을 낮추기 위해 사용합니다.

1.2.1. 제어 회로 구성

앞에 설명 드렸지만, 대부분 DC 전압으로 시퀀스 회로, 제어회로를 구성합니다.
AC로 구성하게 될 경우, 구동부(Motor, Servo, Inverter 등)와 절연(분리) 목적으로 사용됩니다.

• 구동부에서 전압 불안정, 단락 등 이상전압이 발생되었을 때, AC전압으로 구성된 시퀀스 회로, 제어회로를 보호하는 목적으로 사용.

1.2.2. 다른 용도(Noise Cut Trans)

출처:운영와이스 카달로그

변압기를 [노이즈 필터 글] 바로 뒤에 글을 작성한 이유가 있습니다. 그 이유는 복권형 변압기는 노이즈 필터와 비슷한 역활을 하기 때문입니다. 앞써, 설명한 것과 같지만, 좀더 자세히 설명 드리겠습니다.

1차측에 Noise 가 발생 되었지만, 2차측은 전압 파형을 그대로(실시간으로) 유도하지 않습니다. 그 이유는 자기유도되는 시간이 있기 때문인데요, 이것을 쉽게 설명드리면, 우리가 라면을 끓인다고 했을 때, 뜨거운 물(100도)에 면을 넣는다고 그 면이 바로 100도가 되지 않는 것과 같은 비슷한 원리 입니다.

변압기의 장점은 접지 선이 없어도 Noise를 효과적으로 방지 할 수 있습니다. 또한, 1차측과 2차측의 절연이 되어 있어, Surge 보호에서 효과 적입니다.

제가 전장설계 시, CE 나 UL 인증없는 곳에 납품시(ex:중국) 제어전원 구성에서 노이즈 필터와 변압기를 구분하는 용도는 전압이 불안정한 나라에 장비를 납품할 경우 (대표적으로 중국)에 Controller(PLC, PC 등) 부하에 변압기를 설치하고, 그렇지 않는 경우, 노이즈 필터를 설치 합니다.

그 이유는 중국같이 전압이 불안정한 경우, Surge 및 Noise 로 인하여 Controller 와 같은 민감한 기기들이 파손이 되는 경험을 했기 때문입니다.

• 변압기는 주로 전압을 변동하고 싶을 때, 사용.
• 동력 전원과 제어 전원사이는 변압기를 사용 하여 기구적으로 절연 하는것이 좋음.
• 변압기는 전기 공급방식이 자기 유도로 전기를 유도 하는 방식이라, Surge 및 Nosie 에 매우 좋음.
• 전압이 불안전한 나라에 납품 시, 제어전원 구성에서 노이즈 필터 대신 변압기 및 노이즈 컷 트랜스를 사용하는 것이 좋음.