죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

절연 변압기의 기본 사항과 선택 및 사용법

PDF 다운로드

글/Art Pini, Digi-Key 북미 편집자 제공

기존 단상 전력 배선은 전기 코드, 중성 전선 및 접지선으로 구성된다. 물리적으로 분리된 여러 장치에서 일반 전력선을 공유하는 경우 장치 간의 접지 전위 차이로 인해 접지 루프가 생성될 수 있다. 접지 루프는 기계 장치에서 특히 문제가 되며 장치 테스트 중에 문제를 발생시킬 수 있다. 설계자의 경우 정류된 선간 전압을 사용하는 장치로 접지 루프를 측정하는 데 어려움이 있다. 오실로스코프와 같이 접지된 테스트 장비는 이러한 장치에서 의도치 않게 전원 공급 장치를 단락시킬 수 있다. 또한 고주파 잡음은 AC 전력선에 따라 달라지며 민감한 트랜스듀서와 계기에 대해 문제를 일으킬 수 있다.
전력 입력과 장치 사이에 절연 변압기를 적절히 적용하여 모든 관련 문제를 피할 수 있다. 절연 변압기는 전력선 접지 연결로부터 분리하여 접지 루프와 의도치 않은 테스트 장비 접지를 제거한다. 또한 전원에서 발생하는 고주파 잡음을 억제한다. 이 기사에서는 Hammond Manufacturing, Bel/Signal Transformer 및 Triad Magnetics의 장치를 예를 들어 절연 변압기의 특성, 선택 기준 및 응용 분야에 대해 설명한다.

절연 변압기의 작동 원리

절연 변압기는 AC 주 전력선과 구동 장치 사이를 전기적으로 분리한다. 즉, 두 권선 사이에 DC 경로가 없다. 절연 변압기는 세 가지 주요 용도로 사용된다.
첫째, 2차 권선을 접지에서 분리한다.
둘째, 선간 전압을 승압 또는 강압한다.
셋째, 1차 권선과 2차 권선 간에 송수신 중에 발생하는 전선 잡음을 줄인다.
무엇보다 절연 변압기는 변압기이므로 변압기의 일반적인 특성을 공유한다(그림 1). 1차 권선과 2차 권선을 일반 강자성 코어에 감는다.

[그림 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 회전된다. 1차 전압(VP)과 2차 전압(VS) 사이의 관계는 방정식 1과 같다.

  
2차 권선보다 1차 권선의 회전 수가 많을 경우 2차 전압이 1차 전압보다 작은 강압 구성이다. 1차 권선의 회전 수가 2차 권선의 회전 수보다 작을 경우 2차 전압이 1차 전압보다 높은 승압 구성이다. 대부분의 절연 변압기는 1차 권선과 2차 권선의 회전 수가 동일하므로 1차 전압과 2차 전압이 동일한다.
손실을 무시할 경우 VP와 1차 전류(IP)의 곱이 VS와 2차 전류(IS)의 곱과 일치하므로 변압기에서 에너지가 절감된다. 1차 권선의 RMS 전압을 RMS 1차 전류로 곱하여 변압기를 평가한다. 이를 ‘피상 전력’이라고 하며 측정 단위는 VA이다.
회로도에서 점은 1차 및 2차 전류 방향을 보여주는 위상 점이다. 권선의 1차 점 측으로 전류가 흐르면 구성도에 표시된 대로 권선의 점 측에서 2차 전류가 발생한다. 이는 권선을 직렬 또는 병렬로 배치하려는 경우에 중요하다. 권선의 위상을 따르지 않을 경우 오류가 발생할 수 있다.
패러데이 실드는 1차 권선과 2차 권선 사이의 정전 용량을 줄여주고 일반적으로 접지되는 정전기 실드이다. 이 실드는 변압기를 통해 공통 모드 잡음의 크기와 과도 전류를 줄인다.
절연 변압기에서 1차 권선과 2차 권선의 절연을 강화하여 권선 간의 직접 전도를 최소화한다. 이 절연 효율은 누설 전류로 측정된다. 대부분의 절연 변압기는 고전위 테스터를 사용하여 테스트한다. 이 테스터는 절연체를 통해 높은 전압을 적용하고 누설 전류를 검사한다.
절연 변압기는 쉘형 구조를 비롯하여 물리적으로 다양한 형태를 나타낼 수 있다(그림 2). 절연층을 사용하여 1차 권선과 2차 권선을 동심원상에 감고 두 층 사이에 패러데이 실드를 삽입한다.

[그림 2] 절연층을 사용하여 1차 권선과 2차 권선을 동심원상에 감고 두 층 사이에 패러데이 실드를 삽입한 쉘형 구조를 사용하여 절연 변압기를 보여주는 절단면 (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

위에서 살펴본 바와 같이 패러데이 실드를 호일층이나 간격이 좁은 권선으로 구현할 수 있다. 일반적으로 1차 측에서 접지면에 접지한다. 1차 권선과 2차 권선에서 이미 에나멜 전선을 사용하고 있으므로 이 구조를 ‘이중 절연’이라고 한다. 권선을 코어에 나란히 배치하거나(‘스플릿 보빈’이라고 함) 도넛형 코어에 감을 수도 있다.

상업용 절연 변압기

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

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

접지는 2차 출력 커넥터에 연결되지만 대부분의 절연 변압기 응용 제품에서 사용되지 않다. 이 변압기는 정격 입력 전압에서 1차 권선과 2차 권선 사이의 누설 전류가 60μA 미만이다.
Bel/Signal Transformer의 DU1/4는 멀티탭 권선이 이중화된 개방형 프레임 구조를 사용하는 250VA 절연 변압기이다. 1차 권선과 2차 권선이 2개씩 있다(그림 4).

[그림 4] Bel/Signal Transformer DU1/4는 1차 권선과 2차 권선이 탭형으로 이중화된 개방형 프레임 절연 변압기이다. (이미지 출처: Bel/Signal Transformer)

0V, 104V, 110V 및 120V에서 1차 권선과 2차 권선의 정격 전압이 동일한다. 따라서 1차 권선 또는 2차 권선에서 직렬 또는 병렬 연결이 가능하다. 따라서 110V 또는 220V 입력에 대해 공칭 1:1 비율이 유지될 수 있다. 110V에서 220V로 승압 변압기 또는 220V에서 110V로 강압 변압기를 구성할 수도 있다. 또한 멀티탭 권선은 208V, 214V, 230V와 같은 중간 정격 전압을 허용한다(그림 5). 이 변압기의 전력은 나사 단자를 통해 연결된다.

[그림 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 1:1이다. 1차 권선과 2차 권선을 각각 병렬로 연결할 경우 110V에 대한 변압기의 전압비는 1:1이고 단일 권선에 비해 2배의 전류를 사용할 수 있다. 1차 권선은 직렬로 연결하고 2차 권선은 병렬로 연결할 경우 2차 전압이 2배만큼 강압된다. 2차 전류는 직렬로 연결하고 1차 권선은 병렬로 연결할 경우 2:1 승압이 실현된다.

의료적 분리

의료용 절연 변압기는 누설 전류에 대해 더 엄격한 요구 사항을 충족해야 한다. 접지 누설, 인클로저 누설 및 환자 누설에 대한 최대 누설 전류 사양이 있다. 접지 누설은 장치의 접지 리드의 누설 전류를 말한다. 인클로저 전류는 접지 리드가 아닌 컨덕터를 통해 노출된 전도성 표면에서 접지면으로 흐르는 전류를 말한다. 환자 누설은 장치에 정상적으로 연결된 접지면으로 환자를 통해 전달되는 전류이다. 이 종류의 장치는 대부분 UL/IEC 60601-1에 따라 인증된다.
Triad Magnetics의 Model MD-500-U는 의료 등급의 500VA 절연 변압기이다(그림 6). 이 변압기는 Underwriters Laboratories(UL)에서 UL 60601-2 사양에 따라 인증되었으며 일반 누설 전류는 10μA이고 최대 누설 전류는 50μA 미만이다.

[그림 6] MD-500-U는 의료 등급의 500VA 절연 변압기이다. 이 변압기는 누설 전류가 10?A(일반)이고 도넛형 변압기를 사용하여 콤팩트한 사이즈를 유지하고 표유 자계를 최소화한다. (이미지 출처: Triad Magnetics)

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

일반적인 절연 변압기 응용 분야

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

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

플라이백 토폴로지를 활용하는 라인 구동 공급 장치이다. 노란색으로 강조 표시된 전파장 회로의 1차 권선 측은 라인(주) 입력을 정류하여 1차 레일에 적용한다. 즉, 고압 레일과 저압 레일 사이에서 발생하는 전압 레벨이 약 170V(120V 라인) 및 약 340V(240V 라인)이다. 이 정류된 선간 전압은 1차 스토리지 커패시터(C2)에 저장된다.
공급 장치의 1차 섹션과 2차 섹션은 플라이백 변압기(L2) 및 광학적으로 분리된 커플러(Q4)에 의해 전기적으로 분리된다. 2차 섹션은 음극(-) 출력 단자의 접지부에 연결되고, 1차 섹션은 접지되지 않다. 문제 해결을 위해 오실로스코프와 같은 접지된 입력 계기를 사용할 경우 이 조건은 문제가 된다. 스코프 프로브의 접지부를 공급 장치의 1차 측 부품에 연결하면 1차 부품과 오실로스코프의 부수적 손상으로 단락이 발생할 수 있다.
공급 장치의 낮은 1차 레일을 AC 중성 라인에 연결한다. 중성 라인은 서비스 출입구의 접지부에 연결되지만 SMPS 입력에 도달할 때쯤에는 접지보다 몇 볼트 높게 나타나서 스코프 프로브 접지에 대한 연결 지점으로 사용하는 데 안전하지 않다.
절연 변압기의 용도는 SMPS의 1차 섹션을 전기적으로 분리하는 것이다. 분리 후 프로브의 접지 면을 1차 회로의 아무 곳에나 연결할 수 있다. 그러면 접지 클립이 연결되는 모든 위치에 접지 레퍼런스가 배치되어 1차 권선에서 단락이 발생할 가능성이 없다. 이 접지 분리 기능으로 인해 절연 변압기는 고유한 접지 귀로를 가진 여러 장치를 함께 연결할 때 접지 루프를 진단하여 수정하는 데 유용하다.
변압기는 접지를 분리하여 접지 누설 전류의 원인이 되는 장치를 확인한다. 또한 절연 변압기는 전선에서 연결된 장치로 또는 장치에서 다시 전선으로 전달되는 고주파 잡음을 줄이다. 이는 변압기의 직렬 유도 용량과 변압기를 통해 정전 용량 커플링을 줄여주는 접지된 패러데이 실드의 덕택이다.

결론

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

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>