1. 개요
變壓器 / Transformer교류 전기의 전압(V)을 바꿔 주는 장치. 당연히 전류도 바뀐다.
도란스(トランス)라고도 하는데, 트랜스포머(Transformer)의 트랜스(Trans)를 일본어식으로 읽은 것이다.
콘센트가 하나밖에 없는 소형부터, 변전소나 공장에서 쓰이는 거대한 것까지 그 종류가 매우 다양하다.
아래 참고 항목에서도 볼 수 있지만, 이게 없으면 전기에너지를 이용한 현대 문명의 이기들이 대부분 먹통이 된다.
2. 변압기의 종류
2.1. 권선의 형태
2.1.1. 단권변압기
코어에 하나의 권선만 감겨 있으며 권선 중간부에 탭을 낸 구조로 되어있다.[1] 주로 1차전압과 2차전압이 2배 이하인 경우에 주로 사용되며, 1차측과 2차측이 절연되어 있지 않다. 이 때문에 1차와 2차전압의 차이가 클 경우 권선의 허용전류 문제로 인해 효율이 떨어지며, 감전사고의 위험 또한 존재한다. 다만 플러그를 연결할 때 중성선을 잘 맞춰 주면 비교적 안전하게 사용할 수 있다. 이는 슬라이닥스에서도 동일하다.유도자(인덕터)와 구조가 동일하므로 탭을 없애면 유도자로 사용 가능하며, 반대로 유도자에 탭을 만들면 단권변압기로 만들 수 있다. 또, 복권변압기의 1차측과 2차측의 임의의 단자를 서로 결선해도 만들 수 있다.
2.1.2. 복권변압기
코어에 2개 이상의 권선이 감겨 있는 변압기이다. 1차와 2차권선이 전기적으로 분리되어 있으며, 대부분의 소형 전자기기에 사용되는 직류전원장치 내부에 들어가는 소형 변압기들 역시 모두 복권변압기이다. 전기적 절연을 목적으로 1차전압과 2차전압이 동일한(정확히는 손실분을 보전하기 위해 2차권선을 5~6% 정도 더 감은) 변압기도 존재한다.2.2. 코어의 형태
2.2.1. EI코어
가장 일반적인 형태이며 대부분의 가전제품에 들어가는 형태이다. E자와 I자로 된 규소강판을 겹겹이 쌓은 구조로 되어 있으며, 보빈에 권선을 감고 철판을 끼워 넣으면 되는 구조라서 권선작업이 간단하다. 다만 누설자속이 심하고 코일과 코어가 잘 밀착되지 않으면 진동과 소음이 발생한다.2.2.2. 토로이달(링)코어
도넛 형태로 된 코어이다. EI코어와는 다르게 원형으로 되어 있으므로 누설자속이 거의 없어 발열도 적고 효율도 우수하다. 단점으로는 권선작업이 어렵다는 점이다. EI코어와는 다르게 전용 권선기가 필요하기 때문에, 권선의 감는 횟수가 많다면 수작업으로는 상당히 어렵다.품질에 신경을 쓴 가정용 변압기나 파워서플라이들은 대부분 이 타입을 사용한다.
2.2.3. 페라이트코어
페라이트 합금 소재로 된 코어이다. 규소강판에 비해 와전류 손실이 적으므로 고주파 교류용 변압기는 대부분 페라이트코어를 사용한다. SMPS에서 주로 사용된다. 충격을 받으면 쉽게 깨지는 단점이 있다. 사용 주파수가 높으므로 상용전원(50~60Hz)용 변압기보다 훨씬 작다는 특징을 가지며, 크기를 더욱 줄이기 위해 코일을 인쇄 회로 기판으로 대체하는 경우도 있다.2.3. 상의 개수
2.3.1. 삼상변압기
말 그대로 상이 3개인 변압기이다. 단상변압기 3개가 통으로 제작된 형태에 당연히 용량도 3배이다. 주로 아파트, 상가와 같은 큰 건물의 전기실이나, 변전소, 대로변을 걷다 보면 보이는 한국전력공사가 적힌 네모난 철제 박스에서 주로 볼 수 있다.2.3.2. 단상변압기
단상을 변압하기 위한 목적으로 제작된 변압기이다. 가정용 트랜스나 전봇대에 달린 100kVA 이하의 배전용 변압기 등이 그 예이다.3. 사용
3.1. 가정용
한국전력공사가 에너지 효율과 수입전자제품의 밀수 방지 등을 이유로 2005년까지 약 32년 가량을 소모하면서 대대적으로 실시한 승압 정책에 의해 현재 거의 모든 전기 기구는 가정용으로 많이 사용하는 단상은 교류 220V, 3상은 교류 380V를 사용한다.하지만 구형이나 수입 전기 기구일 경우 교류 110V로 강압을 시켜서 사용해야 한다. 당장 북미나 일본은 아직 110V 계열을 사용하며, 북미는 단상 교류 120V 60Hz, 일본은 단상 교류 100V 50Hz/60Hz라서 세밀한 조정도 필요하다. 이런 이유로 인해 전압을 전문적으로 낮춰 주는 "강압기"를 사용해야 한다. 그래서 강압기 중에는 단순히 교류 110V만 출력하는 것이 아니라 교류 100V-130V 사이에서 미세 조정이 가능한 것도 있다. 일본어의 영향 때문에 장년들은 "트랜스"의 발음 변형인 '도란스'라고 많이 부른다.
교류 120V용, 일본 전원(교류 100V)용은 세운상가를 돌던가 인터넷에서 주문하는 것이 좋다. 조금 비싸도 전압탭 달린 변압기를 사면 용량도 크고 다양한 교류 110V 계통 전압이 제공되기 때문에 게임기부터 오디오 기기까지 폭넓게 쓰려면 교류 110V~120V까지 모두 지원되는 변압기를 사는 것이 좋다. 주의할 점이 비싼 건 다르겠지만 탭 전환 시에 기기에 부담이 간다. 물론 전압차가 있기에 배전된 전원단도 살짝 충격이 온다. 그리고 기기를 꼽은 상태서 하기보다는 가능하면 변압시 빼고 해야 한다.
오디오는 미니 컴포넌트까진 겸용주파수가 많기 때문에 200~300W다 싶은 건 거의 주파수 변환까지 준비해야 한다. 소형 CRT나 미니 컴포넌트도 얌전히 출력 적당히 할 때나 2.2~3배 이상만을 사용하기 때문에 미니컴포넌트라 해도 출력을 많이 올릴 거면 그에 따른 부하나 노이즈가 타니 더 큰 변압기가 필요하고, 주파수는 AVR이 아니면 별도로 준비해 줘야 한다. 오디오 AVR 등을 이용하기 위해 사용하는 교류 220V 60Hz 출력 AVR 정도도 50만원 이상이고 매우 크며 무게도 의외로 4~5kg이다. 이 정도면 단상 3선이 남아있는 아파트가 유리할까 싶은데, 절연도 건축시기에 맞는 약간 작은 용량이고 이 때 부실공사가 많아서도 있겠지만 전위불안정이나 콘센트 불꽃현상이 많고 승압해도 그 자리는 매번 터진다. 그리고 민감한 기기가 아니라 해도 허용범위는 5~7V 이내가 안전하고 열화정도가 좀 더 커진다. 결정적으로 같은 일제나 미제 제품이 할인마트에서 가끔씩 정발로 국내전원으로 출시돼서 변압기를 살 이유가 없어지기도 한다.
물론 교류 110V의 전압을 교류 220V로 올려 주는 "승압기"도 존재한다. 1990년대 중반까지도 시골 지역은 교류 110V가 공급되어 도시에서 가지고 간 전기 기구를 쓰려면 승압기가 필요할 때가 있었다. 당시는 교류 220V 승압 사업이 진행 중이어서 한국의 전기 규격이 교류 110V에서 교류 220V로 넘어가는 과도기였기 때문. 하지만 현재 한국에서는 이미 교류 220V로 전기 규격 일원화가 완료되어 일부 군용 장비, 산업 현장이나 연구소가 아니고서야 거의 사용되지 않는다. 하지만 오래된 해군 함정은 조명용으로 대부분 교류 110V 전기를 사용한다. 덕분에 이젠 국내에서 보기 힘든 교류 110V 형광등 및 전구가 해군 함정에 쌓여 있다. 교류 220V 전원은 모두 최근 설치한 변압기를 통해서 나오는 것이다. 군함은 5년에 한번씩 정비해서 발전기 갈면 된다고 할 수 있지만 예비부품으로 설계 시 제원으로 재생산만 해서 넣는 것이다. 물론 개보수도 안 하는 건 아니지만 그 변화로 엔진이 어떻게 될지 모른다.
실수로 AC 110V용 기계에 AC 220V 전압을 가진 전기를 집어넣으면 회로가 타 버린다. 이미 이 시점에서 더 이상 수리가 불가능해지는 경우가 많다. 게다가 기계가 폭발하는 건 둘째치고 집이나 건물에 불이 나거나 중상 또는 사망할 수 있다. 이 때문에 요즘과 같은 정발 게임 시장이 활성화 되기 전인 옛날 패밀리컴퓨터의 전원 어댑터를 태워 먹는다든가, 플레이스테이션의 전원부를 태워 먹는 경험을 한 게이머들도 많다. 간혹 컨덴서만 교체해서 AC 220V로 입력 전압을 바꾸는 위험한 개조도 하는 유저가 있다.[2]
구형 PC의 파워서플라이(컴퓨터) 중에는 110V/220V 전압 조절을 수동으로 해 주어야 하는 경우도 있다. 만약 실수로 110V로 설정되어 있는 상태로 코드를 꽂고 전원을 켜 버리면 잠시 후 "버버버버버벅" 하는 소음과 함께 컴퓨터 본체 뒷면에서 성대하게 불꽃이 튀고 매캐한 연기가 피어오르는 장면을 볼 수 있다. 운이 좋으면 PSU만 사망 하고 나머지 부품은 멀쩡한 경우도 있다. 요즘은 PC용 파워서플라이도 노트북 어댑터처럼 프리볼트여서 이런 문제가 없다.
3.2. 송전 및 수전설비용
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| 주변에서 흔히 볼 수 있는 22900V-230V 주상변압기 |
우리가 흔히 볼 수 있는 전신주의 주상 변압기가 대표적이다. 주상변압기의 전압이 220V가 아닌 230V인 이유는 전봇대에서 각 집집마다 가면서 생기는 전압강하를 고려해 변압하기 때문이다. 실제 220V 변압기를 사용하는 집에서 전압을 측정해보면 215~217V 수준으로 전압이 측정되는 경우가 많고 230V 변압기를 사용하는 집에서는 225~229V 사이로 전압이 측정되는 경우가 많다. 물론 이정도는 허용오차 내라서 대부분의 전자기기를 사용하는 데에는 아무런 문제가 없다.
한국전력공사에서 일반 가정에 공급하는 것은 220V인 것은 맞지만, 최초 발전소에서 22kV로 공급되어 승압변전소에서 765kV/345kV로 올려서 송전한 뒤 1, 2차 변전소를 거치고 흔히 도로에서 쉽게 볼 수 있는 전봇대에는 22,900V의 교류 전기가 들어오게 된다. 전압이 높을수록 전력손실이 줄어들기 때문에 장거리 송전설비에서는 대부분 765kV로 송전한다. 전봇대에서 가정이나 소규모 공장에 단상 220V/3상 380V 60Hz 전압을 공급하기 위해 전봇대에 변압기를 설치한다. 대규모 공장이나 공동주택 등에서는 전봇대에서 22.9kV 전압을 받거나, 용량이 정말 큰 경우에는 154kV/345kV를 한국전력공사 변전소에서 철탑으로 직접 받아 수용가 내에서 자가 소유의 변압기를 운영하게 된다. 철탑 설치는 수용가 부담이라 대규모 공장에서만 볼 수 있다.
또는 학교나 건물 등에는 주상 변압기 말고도 더욱 더 큰 변압기도 존재하며, 전선 지중화가 이루어진 곳은 한국전력공사에서 길가에 변압기를 설치하기도 한다. 큰 길가를 걷다보면 네모난 철제 박스가 보이는데 이게 그것이다. 고압 전기 시설이라 위험하므로, 일반인이 무단으로 개방 또는 분해할 수 없도록 특수한 렌치로만 풀 수 있는 볼트로 잠겨 있다.
한편 엄청난 용량을 자랑하다 보니 저런 변압기 안에는 절연유(변압기유)라는 일종의 기름이 들어가서 누전을 막아 준다. 이러한 종류의 변압기를 유입변압기(油入變壓器, Oil Immersed Transformer)라 하며 일반적인 사무용 건물 등에는 절연유가 필요 없는 몰드변압기(Molded Transformer)가 널리 설치된다. 유입변압기 내에 있는 기름은 시간이 흐르면 빗물이나 먼지에 의해 산패되고, 기름 내부에 습기가 차면 폭발까지 이르기도 한다.[3] 이를 어느 정도 억제하기 위해 콘서베이터라는 장치를 설치한다. 구형 변압기의 절연유 안에는 인체에 유해한 PCB라는 물질이 들어가 있어서 절연유를 사용한 변압기는 꼬박꼬박 시, 군, 구청 환경과에 설비 현황을 보고해야 한다.
여름철에 종종 변압기 폭발로 일부 지역이 단전되는 이유 중 하나가 절연유 불량이다.
3.3. 전자공학에서 사용
변압기를 통해 전압와 전류를 바꾸면 저항도 바뀌는 것을 이용하여 때문에 서로 다른 임피던스를 가지는 회로를 연결할 때 임피던스 매칭을 위해서 연결하려는 회로 사이에 변압기를 사용한다. 여기선 일반적인 변압기보단 신호제어용으로 쓰는 소자에 가깝다. 전자회로는 기본적으로 작은 전압을 쓰고 전력용 변압기는 부피가 커서 전자회로에 못쓰기 때문이다.[4]예를 들면 전자악기를 음향기기에 연결하는 경우가 있다. 보통 악기의 출력 임피던스는 음향 기기보다 높다. 음향기기와 악기의 회로를 단순화시키면 둘이 서로 직렬연결 되어 있다고 볼 수 있는데, 직렬 연결에서는 저항이 증가할수록 전력이 커진다. 그래서 악기와 음향기기를 임피던스 매칭 없이 그냥 연결하면 음향기기에는 적은 전력이 전달된다. 그래서 악기와 음향기기를 서로 연결할 때에는 악기와 음향기기 사이에 DI박스라는 매칭 트랜스를 넣어주어 악기의 높은 임피던스를 음향기기에 적합하도록 내려준다.
전기적인 절연이 필요할 때 사용하기도 한다. 대표적으로 그라운드 루프 노이즈를 막기 위해서 사용하는 트랜스가 있는데, 이때는 승압이나 강압이 필요 없고 그라운드 회로만 끊어 주면 되기 때문에 보통 1:1 권선비를 가지는 트랜스가 사용된다.
MOSFET이나 IGBT의 게이트를 구동하기 위해 사용되기도 한다. SMPS나 테슬라 코일과 같이 구동 회로와 트랜지스터 사이의 절연이 필요한 회로에서 흔히 볼 수 있다.
밸런스-언밸런스를 변환하는데에도 변압기가 쓰인다. 여기에 쓰이는 변압기를 특별히 바룬(Balun)이라고 부른다.
4. 변압기의 간단한 원리
모든 변압기에는 원형에 구리선을 몇백번 감아 놓은 듯한 코일이 기본적으로 들어간다. 일부 변압기에서는 대전류를 흘리기 위해 구리나 알루미늄으로 된 평각 코일을 만드는 경우도 있다. 전기공학에 대해 관심이 많은 사람들이라면 자기장 유도에 대해 잘 아는 사람들이 많은데 패러데이의 법칙을 이해한다면 쉽다. 실제 사용되는 변압기에는 절연체(절연유, 진공, SF6 등)와 변압기 1차측과 2차측 전압의 혼촉을 막기 위한 혼촉방지판 등도 포함된다. 절연체로 사용하는 육불화황은 절연 효과는 뛰어나나 온실 효과가 대단히 크기 때문에 교토 의정서에 의한 감축/사용금지 대상이다.공대 용어를 이해하기 힘든 사람을 위해 쉽게 말하자면 두 개의 코일을 두고 한쪽 코일에 교류 전압을 걸면 자속의 변화[5]가 생기면서 반대편 코일에 전압[6]이 발생하는데, 이 때 1차코일과 2차코일의 중심부에 흐르는 자속은 같다. 자속이 같다는건 전기의 에너지, 즉, 전력이 같다는 걸 뜻한다. 그런데 같은 전력을 가졌음에도 코일의 감은 수에 전압이 비례하므로 전류는 반비례로 흐른다. 물론 현실 세계에서는 자속이 전부 전달되지 않으므로 약간의 손실은 존재한다.
그리고 자속의 변화는 교류 전압에서 발생되기 때문에 변압이 쉬운 교류 송전은 직류 송전에 대해 우위를 가지게 되었다. 그래서 교류로 전기를 송전하는 것이 주력이 된다.[7]
물론 직류 송전이 리액턴스에 영향을 안 받고 파형이 더 안정적인 건 사실이다. 그래서 복잡하게 변압을 해야하냐고 생각할 수도 있겠지만 승압을 해야 선로손실을 줄일 수 있기에 승압 후 강압을 하는 걸 택한 것이다.[8]
전압은 변압기로 조절할 수 있지만 주파수는 일반 가정에서 바꾸기 어렵다. 만약 주파수를 변경하려면 정격 60Hz 전동기-정격 50Hz 발전기를 직결 운전하거나, AC 60Hz→DC→AC 50Hz의 과정을 거쳐야 한다. 즉 교류를 먼저 직류로 바꾸고, 다시 50Hz로 발진을 시켜야 한다는 의미. 프리볼트 기기도 어댑터나 파워 내부에 이런 과정이 있다. 인버터류도 원하는 전압 주파수를 뽑고자 이 과정을 거치며 전기 기관차나 도시철도 등 각종 공공 기물에도 인버터가 달려서 교류 전동기에 전원을 공급한다. 전동차는 가변형으로 단수가 없다. 단, 토크 문제로 1~2단의 저단이 '기능상으로만' 있는 경우는 있다.
미국, 서일본 제품은 60Hz를 지원하기에 한국에서는 강압만 하면 쓸 수 있지만, 동일본, 유럽 제품은 50Hz 전용이 상당수 있어서 온도, 회전수, 압력이 제대로 나오지 않는 경우가 있다. 이 때문에 유럽산 커피 머신은 안을 뜯어서 60Hz 모터로 교체하기도 하거나 인버터를 구해다 쓰기도 한다. 일본은 동부 지역은 50Hz, 서부 지역은 60Hz로 서로 주파수가 다르다.
5. 변압이 되는 원리
간단히 말해 전류→자속→전류 순서이다. 한 쪽의 코일에 전류를 넣어 주면→철심을 통과하면서 자속이 되고→반대쪽 코일에서 다시 전기를 생산한다. 전기가 생산되는 원리가 코일이 자속을 끊는 곳에서 발생한다. 이 때 전압은 코일의 감은 권수에 비례한다. (간단히 말해 AC 22,900V를 만들고 싶으면 22,900번 감으면 되고, 220V를 만들고 싶으면 220번 감으면 된다.) 하지만, 한 쪽의 코일에 자극을 주어야 반대쪽 코일에 이 일이 일어난다. 교류의 경우 주파수가 존재하기 때문에 전류의 변화가 수시로 일어난다. 즉, 일정하지 않은 전류가 계속 자극을 주기 때문에 그 자극에 따라서 반대편에서 전기가 생산되는 것이다. 그러나, 직류의 경우 전류가 일정하기 때문에 처음 연결한 순간만 반대편 코일에 전기가 생성되며, 자극이 없기 때문에 이 현상이 일어나지 않는다. 초퍼제어의 경우 매우 짧은 주기로 직류를 on과 off 시킴으로 한쪽 코일에서 계속 자극을 주는 것이 가능하다. 그래서 초퍼제어를 이용해 직류를 변압하기도 한다.6. 기타
가정용 변압기의 구조는 단순하여, 극단적으로는 코일+소켓만 있어도 사용이 가능하다. 물론 안전 문제로 기본적으로 서킷브레이커나 퓨즈, 접지, 스위치가 달려 있는 게 대부분이지만 그래도 구조가 단순하긴 마찬가지다. 조금 신경을 쓴 제품은 노이즈 방지용 설계와 전압계 등이 들어가기도 한다.한국에선 주로 한일이라는 브랜드를 가진 제품이 많이 팔리는데, 단순한 구조 때문에 이름을 한일○○로 붙여서 변압기를 파는 회사들이 수도 없이 난립해 있다. 알려진 것만 해도 한일공업, 한일오디세이, 한일공업변압기, 한일변압기, 한일트랜스, 한일테크, 한일파워테크, 한일산업이 모두 다른 회사이다. 더 웃긴 사실은 정작 한일 브랜드로 가장 유명한 한일전기에서는 변압기를 만들지 않는다.
둠스데이: 인류멸망 10가지 시나리오에서 미국 국토안보부 태스크포스에 소속되어 있는 피터 프리의 말에 따르면, 여러 기계의 에너지를 변환하는 초대형 변압기는 장거리 전력 송전 등의 활동을 위해 필수적인 세계 전기 시스템의 중추인데, 제작 과정이 까다로워 하나 만드는 데 2년씩 걸리지만 예비 장치가 없으며, 이러한 거대변압기를 수출하는 국가는 단 2개국으로서, 하나는 독일이고, 다른 하나는 대한민국이라 한다.#히스토리채널 유튜브 해당 영상, 4:56 지점
7. 관련 문서
[1] 가장 흔하게 볼 수 있는것은 도란스에 들어있는 링코어라 불리는 단권 변압기나. 하나의 권선에 탭을 내어 사용하므로 여기에 2차측으로 사용할 전선을 한번 더 감아주면 손쉽게 복권 변압기를 만들 수 있다. 보통 링코어 방식은 스폿트 용접기 제작에 쓰이고, 탭 형식은 유도전동기 기동용 리액터에 자주 쓰인다. 영상 참조[2] 사실 스위칭 파워서플라이는 컨덴서와 fet소자만 바꿔주면 입력전압은 쉽게 바꿀수 있다.[3] 변압기를 밀폐시키면 되지 않냐고 생각할 수도 있지만 절연유는 기압과 온도에 따라 부피가 변하기 때문에 그럴 수가 없다. 대신 최대한 외부환경에 노출을 피하는 방향으로 구멍을 낸다. 그래서 이 구멍으로 공기가 들락날락 하는데 이를 변압기의 호흡작용이라 한다.[4] 정확히는 집적회로에 안쓰인다. 커패시터보다 부피를 많이 차지한다고 인덕터 조차 거의 안 쓰는게 집적회로다. 여기서 서술하는건 전력전자회로에서 쓰는 소자를 뜻한다.[5] 자속이 아닌 자속의 변화다. 패러데이 전자기 유도 법칙에 따라 자속이 변해야 전압을 발생시킬 수 있다.[6] 기전력이라고 한다. 단위는 이름과 달리 전력이 아닌 전압인 것을 명심하자.[7] 변압을 하는데 자속만 필요했다면 직류 송전이 우위를 차지했을 것이다. 그러나 패러데이 전자기 유도 법칙에 따라 '자속의 변화=기전력'이기 때문에 컨버터가 없던 그 때의 기술로는 교류 송전 없이 변압이 불가능했다.[8] 선로손실은 전류의 제곱에 비례한다. 전류가 줄어들면 선로손실은 기하급수적으로 줄어든다.[9] 영어 트랜스포머는 트랜스와 함께 변압기를 지칭하는 단어다. 그래서 국내에선 Transformers 시리즈를 변압기들이라고 부르기도 한다.