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변압기의 주파수가 낮아지면 철심이 과열될 수 있는 이유는 무엇인가요?
변압기는 정격전압과 주파수 조건에 맞게 사용해야 한다고 배웠는데, 정격전압을 그대로 인가하더라도 주파수가 낮아지면 철심이 과열될 수 있다고 합니다. 전압은 동일한데 주파수가 낮아지는 것만으로 철심의 자속이 증가하고 과여자 상태가 되는 이유가 궁금합니다. 실제 변압기 운전에서 주파수가 중요한 이유도 알고 싶습니다.
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 최정훈 전기기사입니다.
전압이 그대로일 때 주파수가 낮아지면은 철심에 모이는 자기장에 양이 과도하게 커집니다. 그래서 주파수가 떨어지면은 자기장이 누적되는 시간이 길어져서 철심이 받아들일 수 있는 한계를 넘어서게 되죠. 거기다가 한계를 넘은 자기장은 철심을 포화시키면서 극심한 열을 만들어냅니다.
그러면 결국 철심의 손실과 변압기 내부의 온도를 급격하게 올리는 원인이 됩니다. 자속이 포화되면 전기를 강제로 더 끌어 쓰게 되죠. 그래서 철심과 코일 모두를 순식간에 뜨겁게 만듭니다. 그리고 현장에서는 주파수가 떨어질 때 전압도 함께 낮춰서 과여자를 막아주어야만 변압기를 결국 안전하게 보호할 수가 있습니다.
안녕하세요. 김종식 전기기사입니다.
네, 변압기에서 주파수가 낮아지면 철심이 과열될 수 있는 이유는 같은 전압에서도 주파수가 낮아질수록 철심에 필요한 자속이 증가하기 때문입니다.
변압기의 자속은 대략적으로 전압 ÷ 주파수(V/f)와 관계가 있습니다. 따라서 정격전압을 그대로 유지한 채 주파수만 낮아지면 V/f 값이 커지고, 철심의 자속밀도도 증가합니다. 자속이 너무 커지면 철심이 자기포화 영역에 가까워지게 됩니다.
철심이 포화되기 시작하면 여자전류가 급격히 증가하고, 철손과 동손이 함께 커질 수 있습니다. 특히 철심 내부의 히스테리시스손과 와전류손, 그리고 증가한 여자전류에 의한 권선 발열 때문에 변압기 온도가 높아질 수 있습니다. 심하면 소음과 진동도 평소보다 커질 수 있습니다.
예를 들어 60Hz용 변압기에 정격전압을 그대로 인가한 상태에서 50Hz로 운전하면 V/f가 증가합니다. 그래서 단순히 전압만 맞는다고 해서 안전한 것이 아니라 전압과 주파수를 함께 봐야 합니다.
현장에서는 전원 주파수, 1차전압, 여자전류, 변압기 온도와 소음을 함께 확인하는 것이 좋습니다. 주파수가 낮아지는 경우에는 제조사 허용범위 내에서 전압도 함께 낮춰 V/f가 과도하게 올라가지 않도록 해야 합니다.
즉, 주파수 저하 → V/f 증가 → 철심 자속 증가 → 자기포화 → 여자전류와 손실 증가 → 철심 및 권선 과열의 관계라고 이해하면 됩니다.
안녕하세요. 김경환 전기기사입니다.
변압기에 정격전압을 그대로 인가하더라도 주파수가 낮아지면 철심의 자속이 증할 수 있기 때문에 과열이 발생할 수 있습니다. 변압기의 철심 자속은 기본적으로 전압에 비례하고 주파수에 반비례하는 관계를 가집니다. 즉, 전압이 동일한 상태에서 주파수만 낮아지면 철심에 더 많은 자속이 형성이 됩니다. 철심이 포화가 되면 자속을 조금 더 증가시키는데 필요한 여자전류가 크게 증가하고, 이로 인해 권선의 전류와 철심의 손실이 증가하면서 온도가 상승할 수 있습니다.
안녕하세요. 이대길 전기기능사입니다.
주파수가 낮아지면 전기가 철심을 자성화하는 시간이 길어져 철심 내부에 자기장(자속)이 과도하게 빽빽해지는 포화 상태가 됩니다 이 때문에 철심에 쓸데없이 많은 전류가 흘러 열이 급격히 발생하므로 변압기를 안전하게 쓰려면 전압뿐만 아니라 주파수도 반드시 맞춰야 합니다
안녕하세요. 최광민 전기기사입니다.
변압기의 유기기전력은 전압과 주파수, 권수 및 최대자속의 관계로 결정되므로 같은 전압에서 주파수가 낮아지면 철심의 자속이 증가합니다. 자속이 지나치게 커지면 철심이 포화에 가까워지고 여자전류가 크게 증가하면서 철손과 발열이 커질 수 있습니다. 그래서 변압기는 정격 주파수에서 사용하도록 설계되며, 정격전압에서 주파수만 낮추는 운전은 피해야 합니다. 특히 50Hz와 60Hz 설비를 서로 임의로 변경해 사용하는 경우 주의가 필요합니다.