변압기
1. 개요
變壓器 / Transformer
교류의 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, 전신주 위에 원통의 물건처럼 달려있는 것까지 그 종류가 매우 다양하다.
아래 참고 항목에서도 볼 수 있지만, 이게 없으면 전기에너지를 이용한 현대 문명의 사람들이 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.
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. 토로이달코어
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.
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.
3. 가정용
한국전력공사가 에너지 효율 등을 이유로 2005년까지 약 32년 가량을 소모하면서 대대적으로 실시한 승압 정책에 의해 현재 거의 모든 전기 기구는 가정용으로 많이 사용하는 단상은 220V, 3상 전원은 380V를 사용한다.
하지만 구형이나 수입 전기 기구일 경우 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 110V만 출력하는 것이 아니라 100V-130V 사이에서 미세 조정이 가능한 것도 있다. 일본어의 영향 때문에 나이 드신 분들은 "트랜스"의 발음 변형인 '''도란스'''라고 많이 부른다.
120V용, 일본 전원(100V)용은 세운상가를 돌던가 인터넷에서 주문하는 것이 좋다. 조금 비싸도 전압탭 달린 변압기를 사면 용량도 크고 다양한 110V 계통 전압이 제공되기 때문에 게임기부터 오디오 기기까지 폭넓게 쓰려면 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. 애초에 변압기라서 그렇지 인도도 아니고 막 올리고 내리면 안된다.
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 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 110V의 전압을 220V로 올려 주는 "승압기"도 존재한다. 1990년대 중반까지도 시골 지역은 110V가 공급되어 도시에서 가지고 간 전기 기구를 쓰려면 승압기가 필요할 때가 있었다. 당시는 220V 승압 사업이 진행 중이어서 한국의 전기 규격이 110V에서 220V로 넘어가는 과도기였기 때문. 하지만 현재 한국에서는 이미 220V로 전기 규격 일원화가 완료되어 일부 군용 장비, 산업 현장이나 연구소가 아니고서야 거의 사용되지 않는다. 한 위키러의 말에 따르면, 5~60년이 된 매우 낡은 공장을 소유하고 있는데, 콘센트는 그 당시의 일자형인데, 220V가 멀쩡히 들어온다고 한다. 하지만 오래된 해군 함정은 조명용으로 대부분 110V 전기를 사용한다. 덕분에 이젠 국내에서 보기 힘든 110V 형광등 및 전구가 해군 함정에 쌓여 있다. 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 110V용 기계에 220V 전압을 가진 전기를 집어넣으면 '''회로가 타 버린다.''' 이미 이 시점에서 더 이상 수리가 불가능해지는 경우가 많다. 게다가 기계가 개발살나는 건 둘째치고 집이나 건물에 불이 날 수도 있다. 이 때문에 요즘과 같은 정발 게임 시장이 활성화 되기 전인 옛날 훼밀리의 전원 어댑터를 태워 먹는다든가, 플레이스테이션의 전원부를 태워 먹는 등의 안습한 경험을 한 게이머들도 많다. 간혹 컨덴서만 교체해서 220V로 입력 전압을 바꾸는 위험한 개조도 하는 유저가 있다.
구형 PC의 파워서플라이 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.
4. 산업용
우리가 흔히 볼 수 있는 전신주의 주상 변압기가 대표적이다.
한국전력공사에서 일반 가정에 공급하는 것은 220볼트인 것은 맞지만, 최초 발전소에서 22kV로 공급되어 승압변전소에서 765kV/345kV로 올려서 송전한 뒤 1, 2차 변전소를 거치고 흔히 도로에서 쉽게 볼 수 있는 전봇대에는 22900V의 교류 전기가 들어오게 된다. 전압이 높을수록 전력손실이 줄어들기 때문에 장거리 송전설비에서는 대부분 765kV로 송전한다. 전봇대에서 가정이나 소규모 공장에 단상 220V/3상 380V 전압을 공급하기 위해 전봇대에 변압기를 설치한다. 대규모 공장 등에서는 전봇대에서 22900V 전압을 받던가, 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 더욱더 큰 변압기도 존재하며, 지중화가 이루어진 곳은 한국전력공사에서 길가에 변압기를 설치하기도 한다.
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. 이를 어느 정도 억제하기 위해 콘서베이터라는 장치를 설치한다. 구형 변압기의 절연유 안에는 인체에 유해한 PCB라는 물질이 들어가 있어서 절연유를 사용한 변압기는 꼬박꼬박 시군구청 환경과에 설비 현황을 보고해야 한다.
여름철에 종종 변압기 폭발로 일부 지역이 단전되는 이유 중 하나가 절연유 불량이다.
5. 변압기의 간단한 원리
모든 변압기에는 원형에 구리선을 몇백번 감아 놓은 듯한 코일이 기본적으로 들어간다. 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 대상이다.
공대 용어를 이해하기 힘든 사람을 위해 쉽게 말하자면 두 개의 코일을 두고 한쪽 코일에 전압을 걸면 자기장이 생기면서 반대편 코일로 전류가 전달되는데, 코일을 감은 수에 비례해서 전압을 조정할 수 있다. (기본적으로) 전력(에너지)은 보존되고 전류는 전압에 반비례하므로 전압 조정이 가능하다. 이때 1차코일과 2차코일의 총 단면적을 지나는 전자의 개수는 이론 상 같다. 물론 현실 세계에서는 손실이라는 게 존재하기 때문에 100%가 나올 수는 없으므로 약간의 손실은 존재한다.
이해하기 힘든 사람들을 위해 감압밸브에 비유하자면, 감압밸브를 거치지 않은 쪽이 10기압이라 가정하고 감압밸브를 거친 부분이 2기압이라 가정하자. 이때 감압밸브를 거치지 않은 고압부는 압력이 높은 대신 기체의 유속은 느릴 것이다. 그리고 감압밸브를 거친 후에는 압력이 1/5로 감소한 대신 유속이 5배 증가할 것이다. 이 때 고압부와 저압부의 초당 단면적을 지나는 기체 분자의 합은 같다. 즉, 가스의 압력은 전압, 유속은 전류, 흐르는 가스의 총량은 전력에 비유할 수 있다.
그리고 교류는 변압기를 이용해 전압을 쉽게 조절할 수 있기 때문에 직류 전송에 대해 우위를 가지게 되었다. 그래서 교류로 전기를 전송하는 것이 주력이 된다.
더 쉽게 설명하자면, 변압기에는 1차측 코일과 2차측 코일이 있다. 이 코일은 '코어' 라는 쇠에 감겨있다. 예를 들어 여기에서 1차측에 코일을 220번 감고, 2차측에 110번을 감는다. 그러면 1차측에 220Vac를 넣으면 2차측에서 110Vac가 나온다. 그리고 손실이 없다는 가정에서, 220Vac 1A를 입력하면 110Vac 2A가 나오게 된다. 그리고 이것은 단상 변압기 용량으로 나타내면 220VA가 된다. 물론 실제로 저렇게 감지는 않는다.
사용하는 주파수, 코어의 자속밀도, 전압, 변압기의 용량, 파형의 종류, 코어의 부피 등을 고려해서 제작해야 하기 때문이다. 그리고 변압기는 일반적으로 입출력 구분이 없다. 예로, 220Vac를 넣으면 12Vac가 나오는 변압기는 반대로 12Vac를 넣으면 220Vac가 나온다. 이점을 이용해서 220V→110V 다운트랜스를 내부에서 반대로 연결시키면 110V→220V 업트랜스로 개조할 수는 있다. 하지만 웬만하면 완제품으로 사용하는 것을 권장한다.
전압은 변압기로 조절할 수 있지만 주파수는 일반 가정에서 바꾸기 어렵다. 만약 주파수를 변경하려면 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 도시철도용 전동차 등 전동차량은 가변형으로 단수가 없다. 단, 토크 문제로 1~2단의 저단이 '기능상으로만' 있는 경우는 있다.
미국, 일본 제품은 60Hz를 지원하기에 한국에서는 강압만 하면 쓸 수 있지만, 유럽 제품은 50Hz 전용이 상당수 있어서 온도, 회전수, 압력이 제대로 나오지 않는 경우가 있다. 이 때문에 유럽산 커피 머신은 안을 뜯어서 60Hz 모터로 교체하기도 한다. 일본은 동부 지역은 50Hz, 서부 지역은 60Hz로 서로 주파수가 다르다.
6. 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 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.
7. 기타
가정용 변압기의 구조는 단순하여, 극단적으로는 코일+소켓만 있어도 사용이 가능하다. 물론 안전 문제로 차단기나 퓨즈, 스위치가 달려 있는 게 대부분이지만 그래도 구조가 단순하긴 마찬가지다. 우리나라에선 주로 한일이라는 브랜드를 가진 제품이 많이 팔리는데, 단순한 구조 때문에 이름을 한일OO로 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.
8. 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 스폿트 용접기 자작에 자주 쓰인다. 영상참조 [2] 영어 트랜스포머는 트랜스와 함께 변압기를 지칭하는 단어다. 그래서 국내에선 Transformers 시리즈를 변압기들이라고 장난으로 부르기도 한다.