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절연 변압기의 기본 사항과 선택법 및 사용법

작성자: Art Pini

Digi-Key 북미 편집자 제공

기존 단상 전력 배선은 전기 코드, 중성 전선 및 접지선으로 구성됩니다. 물리적으로 분리된 여러 장치에서 일반 전력선을 공유하는 경우 장치 간의 접지 전위 차이로 인해 접지 루프가 생성될 수 있습니다. 접지 루프는 기계 장치에서 특히 문제가 되며 장치 테스트 중에 문제를 발생시킬 수 있습니다. 설계자의 경우 정류된 선간 전압을 사용하는 장치로 접지 루프를 측정하는 데 어려움이 있습니다. 오실로스코프와 같이 접지된 테스트 장비는 이러한 장치에서 의도치 않게 전원 공급 장치를 단락시킬 수 있습니다. 또한 고주파 잡음은 AC 전력선에 따라 달라지며 민감한 트랜스듀서와 계기에 대해 문제를 일으킬 수 있습니다.

전력 입력과 장치 사이에 절연 변압기를 적절히 적용하여 모든 관련 문제를 피할 수 있습니다.

절연 변압기는 전력선 접지 연결로부터 분리하여 접지 루프와 의도치 않은 테스트 장비 접지를 제거합니다. 또한 전원에서 발생하는 고주파 잡음을 억제합니다.

이 기사에서는 Hammond Manufacturing, Bel/Signal TransformerTriad Magnetics의 장치를 예를 들어 절연 변압기의 특성, 선택 기준 및 응용 분야에 대해 설명합니다.

절연 변압기의 작동 원리

절연 변압기는 AC 주 전력선과 구동 장치 사이를 전기적으로 분리합니다. 즉, 두 권선 사이에 DC 경로가 없습니다. 절연 변압기는 세 가지 주요 용도로 사용됩니다.

  • 첫째, 2차 권선을 접지에서 분리합니다.
  • 둘째, (주) 선간 전압을 승압 또는 강압합니다.
  • 셋째, 1차 권선과 2차 권선 간에 송수신 중에 발생하는 전선 잡음을 줄입니다.

무엇보다 절연 변압기는 변압기이므로 변압기의 일반적인 특성을 공유합니다(그림 1). 1차 권선과 2차 권선을 일반 강자성 코어에 감습니다.

단순 전력 변압기의 회로도그림 1: 일반 강자성 코어에서 NP 회전 1차 권선과 NS 회전 2차 권선으로 구성된 단순 전력 변압기의 회로도 (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

그림에서 1차 권선은 코어 주위에서 NP 회전 방식으로 배선되고 2차 권선은 NS 회전됩니다. 1차 전압(VP)과 2차 전압(VS) 사이의 관계는 방정식 1과 같습니다.

방정식 1방정식 1

2차 권선보다 1차 권선의 회전 수가 많을 경우 2차 전압이 1차 전압보다 작은 강압 구성입니다. 1차 권선의 회전 수가 2차 권선의 회전 수보다 작을 경우 2차 전압이 1차 전압보다 높은 승압 구성입니다. 대부분의 절연 변압기는 1차 권선과 2차 권선의 회전 수가 동일하므로 1차 전압과 2차 전압이 동일합니다.

손실을 무시할 경우 VP와 1차 전류(IP)의 곱이 VS와 2차 전류(IS)의 곱과 일치하므로 변압기에서 에너지가 절감됩니다. 1차 권선의 RMS 전압을 RMS 1차 전류로 곱하여 변압기를 평가합니다. 이를 "피상 전력"이라고 하며 측정 단위는 VA입니다.

회로도에서 점은 1차 및 2차 전류 방향을 보여주는 위상 점입니다. 권선의 1차 점 측으로 전류가 흐르면 구성도에 표시된 대로 권선의 점 측에서 2차 전류가 발생합니다. 이는 권선을 직렬 또는 병렬로 배치하려는 경우에 중요합니다. 권선의 위상을 따르지 않을 경우 오류가 발생할 수 있습니다.

패러데이 실드는 1차 권선과 2차 권선 사이의 정전 용량을 줄여주고 일반적으로 접지되는 정전기 실드입니다. 이 실드는 변압기를 통해 공통 모드 잡음의 크기와 과도 전류를 줄입니다.

절연 변압기에서 1차 권선과 2차 권선의 절연을 강화하여 권선 간의 직접 전도를 최소화합니다. 이 절연 효율은 누설 전류로 측정됩니다. 대부분의 절연 변압기는 고전위 테스터를 사용하여 테스트합니다. 이 테스터는 절연체를 통해 높은 전압을 적용하고 누설 전류를 검사합니다.

절연 변압기는 셸형 구조를 비롯하여 물리적으로 다양한 형태를 나타낼 수 있습니다(그림 2). 절연층을 사용하여 1차 권선과 2차 권선을 동심원상에 감고 두 층 사이에 패러데이 실드를 삽입합니다.

셸 형 구조를 사용하여 절연 변압기의 절단면을 보여주는 구성도그림 2: 절연층을 사용하여 1차 권선과 2차 권선을 동심원상에 감고 두 층 사이에 패러데이 실드를 삽입한 셸형 구조를 사용하여 절연 변압기를 보여주는 절단면 (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

위에서 살펴본 바와 같이 패러데이 실드를 호일층이나 간격이 좁은 권선으로 구현할 수 있습니다. 일반적으로 1차 측에서 접지면에 접지합니다. 1차 권선과 2차 권선에서 이미 에나멜 전선을 사용하고 있으므로 이 구조를 "이중 절연"이라고 합니다.

권선을 코어에 나란히 배치하거나("스플릿 보빈"이라고 함) 도넛형 코어에 감을 수도 있습니다.

상업용 절연 변압기

개방형 프레임을 사용하여 절연 변압기를 배포하거나 실드 구조로 절연 변압기를 둘러쌀 수 있습니다(그림 3). Hammond Manufacturing의 171E 절연 변압기는 실드 인클로저를 사용합니다. 엔드캡 실드는 변압기의 자기장을 억제하며, 변압기 외부 자기장 선택을 최소화하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한 이 500VA 1:1 변압기에는 피그테일, NEMA, 3선식 접지 입/출력 커넥터, 통합 과부하 회로 차단기가 포함되어 있습니다.

접지는 2차 출력 커넥터에 연결되지만 대부분의 절연 변압기 응용 제품에서 사용되지 않습니다. 이 변압기는 정격 입력 전압에서 1차 권선과 2차 권선 사이의 누설 전류가 60µA 미만입니다.

엔드캡 위에 실드 덮개가 있는 절연 변압기의 구성도그림 3: 변압기의 엔드캡 위에 실드 덮개가 있는 절연 변압기의 예 (이미지 출처: Hammond Manufacturing)

Bel/Signal Transformer의 DU1/4는 멀티탭 권선이 이중화된 개방형 프레임 구조를 사용하는 250VA 절연 변압기입니다. 1차 권선과 2차 권선이 2개씩 있습니다(그림 4).

Bel/Signal Transformer DU1/4 개방형 프레임 절연 변압기 이미지그림 4: Bel/Signal Transformer DU1/4는 1차 권선과 2차 권선이 탭형으로 이중화된 개방형 프레임 절연 변압기입니다. (이미지 출처: Bel/Signal Transformer)

0V, 104V, 110V 및 120V에서 1차 권선과 2차 권선의 정격 전압이 동일합니다. 따라서 1차 권선 또는 2차 권선에서 직렬 또는 병렬 연결이 가능합니다. 따라서 110V 또는 220V 입력에 대해 공칭 1:1 비율이 유지될 수 있습니다. 110V에서 220V로 승압 변압기 또는 220V에서 110V로 강압 변압기를 구성할 수도 있습니다. 또한 멀티탭 권선은 208V, 214V, 230V와 같은 중간 정격 전압을 허용합니다(그림 5).

이 변압기의 전력은 나사 단자를 통해 연결됩니다.

다양한 배선 구성을 가능하게 해주는 Bel/Signal Transformer DU1/4의 이중 권선 구성도그림 5: DU1/4의 이중 권선은 1:1, 2:1, 1:2 전압비를 비롯한 다양한 권선 구성을 가능하게 해줍니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

1차 권선과 2차 권선을 각각 직렬로 연결할 경우 220V 입력에 대한 변압기의 전압비는 1:1입니다. 1차 권선과 2차 권선을 각각 병렬로 연결할 경우 110V에 대한 변압기의 전압비는 1:1이고 단일 권선에 비해 2배의 전류를 사용할 수 있습니다. 1차 권선은 직렬로 연결하고 2차 권선은 병렬로 연결할 경우 2차 전압이 2배만큼 강압됩니다. 2차 전류는 직렬로 연결하고 1차 권선은 병렬로 연결할 경우 2:1 승압이 실현됩니다.

의료적 분리

의료용 절연 변압기는 누설 전류에 대해 더 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다. 접지 누설, 인클로저 누설 및 환자 누설에 대한 최대 누설 전류 사양이 있습니다. 접지 누설은 장치의 접지 리드의 누설 전류를 말합니다. 인클로저 전류는 접지 리드가 아닌 컨덕터를 통해 노출된 전도성 표면에서 접지면으로 흐르는 전류를 말합니다. 환자 누설은 장치에 정상적으로 연결된 접지면으로 환자를 통해 전달되는 전류입니다. 이 종류의 장치는 대부분 UL/IEC 60601-1에 따라 인증됩니다.

Triad Magnetics의 Model MD-500-U는 의료 등급의 500VA 절연 변압기입니다(그림 6). 이 변압기는 Underwriters Laboratories(UL)에서 UL 60601-2 사양에 따라 인증되었으며 일반 누설 전류는 10µA이고 최대 누설 전류는 50µA 미만입니다.

Triad Magnetics의 MD-500-U 이미지(500VA 절연 변압기)그림 6: MD-500-U는 의료 등급의 500VA 절연 변압기입니다. 이 변압기는 누설 전류가 10µA(일반)이고 도넛형 변압기를 사용하여 콤팩트한 사이즈를 유지하고 표유 자계를 최소화합니다. (이미지 출처: Triad Magnetics)

MD-500-U는 최소의 크기에서 표유 자계를 최소화하고 효율을 최대화하는 도넛형 변압기를 사용합니다. 대부분의 독립형 의료용 변압기와 마찬가지로 이 변압기는 퓨즈와 열차단 스위치가 내장된 강철 인클로저 내에 안전하게 담겨 있습니다.

일반적인 절연 변압기 응용 분야

가장 일반적인 절연 변압기 응용 분야에서는 장치를 AC 접지선과 분리합니다. 이렇게 해야 하는 이유를 보여주는 예제로 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)를 고려해 보십시오. 일반적인 라인 구동 SMPS는 다양한 안전 관련 문제를 나타냅니다(그림 7).

접지 레퍼런스 회로 영역을 보여주는 SMPS의 회로도그림 7: 접지 레퍼런스 회로 영역과 접지 레퍼런스가 아닌 회로 영역을 보여주는 SMPS의 회로도 (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

플라이백 토폴로지를 활용하는 라인 구동 공급 장치입니다. 노란색으로 강조 표시된 전파장 회로의 1차 권선 측은 라인(주) 입력을 정류하여 1차 레일에 적용합니다. 즉, 고압 레일과 저압 레일 사이에서 발생하는 전압 레벨이 약 170V(120V 라인) 및 약 340V(240V 라인)입니다. 이 정류된 선간 전압은 1차 스토리지 커패시터(C2)에 저장됩니다.

공급 장치의 1차 섹션과 2차 섹션은 플라이백 변압기(L2) 및 광학적으로 분리된 커플러(Q4)에 의해 전기적으로 분리됩니다. 2차 섹션은 음극(-) 출력 단자의 접지부에 연결되고, 1차 섹션은 접지되지 않습니다. 문제 해결을 위해 오실로스코프와 같은 접지된 입력 계기를 사용할 경우 이 조건은 문제가 됩니다. 스코프 프로브의 접지부를 공급 장치의 1차 측 부품에 연결하면 1차 부품과 오실로스코프의 부수적 손상으로 단락이 발생할 수 있습니다.

공급 장치의 낮은 1차 레일을 AC 중성 라인에 연결합니다. 중성 라인은 서비스 출입구의 접지부에 연결되지만 SMPS 입력에 도달할 때쯤에는 접지보다 몇 볼트 높게 나타나서 스코프 프로브 접지에 대한 연결 지점으로 사용하는 데 안전하지 않습니다.

절연 변압기의 용도는 SMPS의 1차 섹션을 전기적으로 분리하는 것입니다. 분리 후 프로브의 접지 면을 1차 회로의 아무 곳에나 연결할 수 있습니다. 그러면 접지 클립이 연결되는 모든 위치에 접지 레퍼런스가 배치되어 1차 권선에서 단락이 발생할 가능성이 없습니다.

이 접지 분리 기능으로 인해 절연 변압기는 고유한 접지 귀로를 가진 여러 장치를 함께 연결할 때 접지 루프를 진단하여 수정하는 데 유용합니다.

변압기는 접지를 분리하여 접지 누설 전류의 원인이 되는 장치를 확인합니다.

또한 절연 변압기는 전선에서 연결된 장치로 또는 장치에서 다시 전선으로 전달되는 고주파 잡음을 줄입니다. 이는 변압기의 직렬 유도 용량과 변압기를 통해 정전 용량 커플링을 줄여주는 접지된 패러데이 실드의 덕택입니다.

결론

2차 권선에 연결된 장치를 1차 권선의 AC 소스와 분리하여 절연 변압기는 2차 장치의 레퍼런스 평면을 재정의합니다. 또한 누설 전류를 리디렉션하고 제어할 수 있습니다. 동시에 고주파 고조파 및 잡음의 전달을 최소화합니다. 따라서 정격 전력 장치를 테스트하는 데 매우 유용합니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Art Pini

Arthur(Art) Pini는 Digi-Key Electronics의 기고 작가입니다. Art는 뉴욕시립대에서 전기공학 학사 학위를 취득하고 뉴욕시립대학교에서 석사 학위를 취득했습니다. 그는 전자 분야에서 50년 이상의 경력을 쌓았으며 Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek, Nicolet Scientific에서 주요 엔지니어링 및 마케팅 역할을 담당했습니다. Art는 오실로스코프, 스펙트럼 분석기, 임의 파형 생성기, 디지타이저, 전력계와 관련된 측정 기술과 폭넓은 경험에 관심을 갖고 있습니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자