단권변압기

왜 배우는가: 단권변압기는 초고압 계통의 연계 변압기와 자기용량 계산 문제로 반복해서 출제된다. 실무에서는 계통 연계용 대용량 변압기의 재료비와 손실을 줄이는 방법으로 쓰이므로, 전기적 비절연과 자기용량 개념을 함께 알아야 한다.

출제 이력: 제134회 1교시 3번, 제131회 1교시 9번, 제129회 4교시 3번, 제112회 3교시 6번, 제95회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

단권변압기는 하나의 권선에 탭을 두어 1차와 2차가 권선 일부를 공유하는 변압기로, 1차와 2차 사이에 전기적 절연이 없다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 다음 줄에 승압·강압에 쓰며 자기용량이 부하용량보다 작다는 점을 덧붙인다.

핵심 키워드

• 단권변압기(Autotransformer)
• 공통권선(Common Section)
• 직렬권선(Series Section)
• 탭(Tap), 중간 연결점이다
• 권수비(Turns Ratio), 권선분비와 같은 말이다
• 자기용량(Self Capacity), 고유용량 또는 자체용량이라고도 한다
• 부하용량(Load Capacity), 고압 측이 공급하는 출력이다
• 전기적 비절연, 1차와 2차가 금속으로 직접 연결된 상태다

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 단권변압기는 코일을 하나만 감고 중간에 탭을 뽑아 쓰는 변압기다. 일반 변압기는 1차 코일과 2차 코일을 따로 감아 자기장으로만 에너지를 옮긴다. 단권변압기는 두 코일이 한 줄로 이어져 있어 전기적으로 직접 연결된다.

정식 정의는 다음과 같다. 단권변압기는 하나의 권선이 두 개의 끝단자와 하나 이상의 중간 탭을 가지며, 1차와 2차가 권선의 일부를 공유하는 변압기다. 1차와 2차가 함께 쓰는 부분을 공통권선(Common Section), 1차 쪽에만 속하는 부분을 직렬권선(Series Section)이라 한다. 문헌에 따라 공통권선을 분로권선, 직렬권선을 직렬코일이라 부르기도 한다.

원리는 전압을 권수 비율로 나누는 데 있다. 1차 전압은 권선의 양 끝 단자에 걸리고, 2차 전압은 탭과 한쪽 끝 사이에서 얻는다. 따라서 권수비 a = N_H/N_L = V_H/V_L 이 성립한다. 여기서 N_H 는 고압 측 권수, N_L 은 저압 측 권수, V_H, V_L 은 각 측 전압이다. 전류는 I_H : I_L \approx N_L : N_H 의 관계이므로 두 측의 피상전력은 거의 같다(V_H I_H \approx V_L I_L).

공통권선에는 두 측 전류의 차가 흐른다. 이 전류가 공통권선의 발열과 손실을 결정하므로 설계에서 중요하게 다룬다. 한편 두 측 전력이 같아도 권선이 실제로 맡는 용량은 다르다. 직렬권선에 걸리는 전압은 V_H - V_L 이고, 이 권선으로 흐르는 전류는 고압 측 전류 I_H 이다. 이 곱을 자기용량(Self Capacity)이라 하고, 고압 측 출력 V_H I_H 를 부하용량(Load Capacity)이라 한다.

$S_s = (V_H - V_L)\,I_H, \qquad S_L = V_H\,I_H$

S_s 는 자기용량(VA), S_L 은 부하용량(VA)이다. 자기용량은 실제 권선이 맡는 용량이므로 부하용량보다 작다. 비율은 다음과 같이 정리된다.

$\frac{S_s}{S_L} = \frac{V_H - V_L}{V_H} = 1 - \frac{1}{a}$