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소방설비기사 소방전기일반 · 변압기와 전력변환

Transformer & Power Conversion

변압기는 1차와 2차 코일의 감은 수 비로 전압을 바꾸는 장치이고, 전류는 전압과 거꾸로 바뀌어 전력은 양쪽이 거의 같다. 손실은 부하와 상관없는 철손과 부하 전류의 제곱에 비례하는 동손으로 나뉘며, 둘이 같아지는 부하에서 효율이 가장 높다. 정류는 반파 · 전파 · 브리지 방식으로 교류를 직류로 바꾸는 단계라 평균 전압과 다이오드 수를 함께 익혀 둔다. 위 그림은 1차가 220V · 10A 로 고정되어 권수비 N₂/N₁ 슬라이더를 움직이면 V₂ 와 I₂ 가 바뀌고, 아래 그림에서는 정류 방식 슬라이더 0 · 1 · 2 에 따라 반파 · 전파 · 브리지 출력 파형과 평균값 선이 바뀐다.

변압기는 전압을 바꾸는 장치

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💡 기어비에 견주면
①변압기의 권수비는 자전거 기어비와 비슷하다
②감은 수가 많은 쪽은 전압이 높고 전류가 작다
③감은 수가 적은 쪽은 전압이 낮고 전류가 크다
④이상 변압기라면 전력(P = VI)은 양쪽이 같다

변압기의 기본 식

변압기 전압비
V1V2 = N1N2 = a
1차 전압 ÷ 2차 전압 = 1차 감은 수 ÷ 2차 감은 수 = 권수비 a
변압기 전류비
I1I2 = N2N1 = 1a
전류비는 전압비의 역수다
변압기 효율
η = P출력P입력 × 100 = P출력P출력 + P손실 × 100 [%]
효율 = 출력 ÷ (출력 + 손실)
⚡ 전압을 올리면 전류가 준다
①전력이 보존되므로 V₁I₁ = V₂I₂ 다
②전압이 두 배면 전류는 절반이다
③송전에 높은 전압을 쓰는 까닭은 전류를 줄여 I²R 손실을 줄이기 위해서이다

변압기 손실

철손과 동손

변압기 손실 비교
구분철손(무부하손)동손(부하손)
발생 원인자속 변화로 철심에서 생김전류가 코일 저항을 지나며 생김
종류히스테리시스손 + 와류손I²R 손실
부하와의 관계부하와 무관(늘 일정)부하 전류의 제곱에 비례
줄이는 방법규소 강판, 얇게 쌓은 철심굵은 전선, 짧은 권선
최대 효율 조건
철손 = 동손
철손과 동손이 같을 때 효율이 가장 높다
💡 소방과 이어지는 점
①비상 전원용 변압기는 손실이 적어야 한다
②손실은 곧 열이라 과열되면 화재 위험이 된다
③변압기에 과부하가 걸리면 동손이 전류의 제곱으로 늘어 온도가 빠르게 오른다

정류기: 교류를 직류로

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정류 방식 비교

반파 · 전파 · 브리지 정류
구분반파전파(CT)브리지
다이오드 수1개2개4개
평균 전압0.318Vm (0.45V)0.637Vm (0.9V)0.637Vm (0.9V)
맥동률121%48%48%
효율40.5%81.1%81.1%
변압기불필요중간 탭(CT) 필요불필요

전력용 반도체

주요 전력용 반도체 소자

시험 총정리

변압기 전압비
V1V2 = N1N2
전압비 = 권수비
변압기 전류비
I1I2 = N2N1
전류비 = 권수비의 역수
최대 효율 조건
철손 = 동손
두 손실이 같을 때 효율이 가장 높다
브리지 정류 평균 전압
Vdc = 2Vmπ ≈ 0.637Vm = 0.9V
다이오드 4개, 중간 탭 변압기 불필요(V 는 실효값)
🎯 시험에서 볼 자리 다섯
①전압비 = 권수비, 전류비 = 그 역수
②최대 효율 조건: 철손 = 동손
③평균 전압: 반파 Vm/π ≈ 0.318Vm(= 0.45V), 전파 · 브리지 2Vm/π ≈ 0.637Vm(= 0.9V), V 는 실효값
④SCR 은 게이트로 켜지고 전류가 0 이 되면 꺼진다
⑤IGBT 는 소방 비상 전원의 인버터 · UPS 에 쓰이는 핵심 소자이다
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