변압기 시험: 개방 회로(무부하) 및 단락 회로(부하) 시험 완벽 해설

변압기 개방 회로(무부하) 시험과 단락 회로(부하) 시험

변압기 등가 회로에는 네 가지 주요 파라미터가 있습니다.

• 등가 저항 (R₀₁)
• 등가 리액턴스 (X₀₁)
• 철손 저항 (R₀)
• 여자 리액턴스 (X₀)

개방 회로 시험과 단락 회로 시험은 회로 파라미터, 전압 조정률, 효율을 구하기 위해 수행합니다. 실제 부하를 걸지 않고 시험하므로 간접 시험법이라 부릅니다.

이 시험들은 실부하 시험(직접법)보다 정확하고, 소비 전력이 매우 적어 경제적입니다. 두 가지 간접 시험법:

• 개방 회로 시험 (Open-circuit Test)
• 단락 회로 시험 (Short-circuit Test)

개방 회로 시험 (무부하 시험)

개방 회로 시험(Open-circuit Test)은 무부하 시험(No-load Test)이라고도 하며, 변압기 철손(코어 손실), 무부하 전류(I₀), 무부하 등가 회로 파라미터(R₀, X₀)를 구하기 위해 수행합니다. 1차 또는 2차 권선 어디에서든 가능하지만, 주로 저압 권선 측에서 수행합니다. 고압 측에서 하면 실험실에서 고전압 확보가 어렵고, 고압 권선 전류가 너무 작아(정격의 2~5%) 정확한 측정이 어렵기 때문입니다.

단상 변압기 개방 회로 시험 실험 결선도는 아래와 같습니다.

위 그림처럼 1차 권선(저압 권선)에 정격 전압·주파수(일반적으로 오토 트랜스포머로부터 단상 전원)를 인가합니다. 2차 권선은 개방합니다. 1차 측에 전압계 V₀, 전류계 I₀, 전력계 W₀를 연결합니다.

2차 권선이 개방되어 2차 전류는 0이고 부하도 없습니다. 따라서 1차 측을 흐르는 전류는 무부하 전류 I₀뿐이며, 전류계가 이 값을 측정합니다.

1차 측에 정격 전압을 가하므로 변압기 코어에 발생하는 자속은 정상 상태이며, 이는 모든 부하 조건에서 동일합니다. 철손은 전압과 주파수에만 의존하므로, 이 시험에서의 철손은 모든 부하 조건에서 동일합니다.

2차 전류가 0이므로 1차 전류는 1차 권선 철손과 동손을 공급합니다. 무부하 전류는 정격 전류의 2~5%로 매우 작아 동손은 무시할 수 있습니다. 따라서 1차 전력은 거의 철손에 공급됩니다.

1차 측에 연결된 전력계가 공급 전력을 측정하므로, 전력계 지시값이 변압기 코어 손실입니다. 개방 회로 시험 기기 판독값:

• 전류계: 무부하 전류 I₀
• 전압계: 정격 공급 전압 V₁
• 전력계: 철손/코어 손실 P_i

관측 테이블

정격 공급 전압 V1	무부하 전류 I0	철손/코어 손실 Pi
…..	…..	…..

무부하 전류로 무부하 저항과 리액턴스(R₀, X₀)를 구할 수 있습니다.

무부하 전력 W₀ = V₁ I₀ Cos φ₀ = 철손

무부하 전류의 유효 분포(작용 분포):

I_W = I₀ Cos φ₀

무부하 전류의 무효 분포(자화 분포):

I_M = I₀ Sin φ₀

작용 분포와 자화 분포로 무부하 저항과 리액턴스 계산:

무부하 저항:

무부하 리액턴스:

단락 회로 시험 (부하 시험)

단락 회로 시험(Short-circuit Test)은 부하 시험(On-load Test)이라고도 하며, 고압 측에서 수행하고 저압 측을 단락시킵니다. 저압 측에서 해도 되지만, 이 시험은 정격 전압의 5~7%만 필요합니다. 저압 측에서는 이 전압이 너무 작아 측정 오차 가능성이 있고, 고압 측의 5~7% 감압 전압은 실험실에서 쉽게 구할 수 있어 고압 측에서 수행하는 것이 편리합니다.

단락 회로 시험 회로도는 아래와 같습니다.

일반적으로 저압 권선을 굵은 와이어로 단락시킵니다. 경우에 따라 정격 부하 전류 측정을 위해 전류계를 연결하기도 합니다. 고압 측에 전류계, 전압계, 전력계를 위 그림처럼 연결합니다. 여기서는 1차 권선을 고압, 2차 권선을 저압으로 가정합니다.

고압 권선에 가변 전원으로부터 감압 전압을 인가합니다. 공급 전압을 점차 높여 1차 권선에 정격 1차 전류가 흐르게 합니다. 1차에 정격 전류가 흐르면 변압기 작용으로 2차 권선에도 정격 2차 전류가 흐릅니다.

고압 측 전류계가 정격 1차 전류를, 전압계가 정격 전류 흐를 때 공급 전압을 측정합니다. 이 조건에서 공급 전압은 정격 전압의 5~10%에 불과합니다. 입력 전압이 낮아 코어 자속이 매우 작고, 철손은 자속 제곱에 비례하므로 철손은 무시할 수 있을 정도입니다.

권선을 흐르는 전류가 정격 전류이므로 시험 중 발생하는 동손은 정상 정격 동손입니다. 전력계는 정격 동손을 지시합니다. 2차 권선이 단락되어 2차 전압(출력 전압)은 0입니다. 따라서 1차 전압 전체가 1차 측 기준 총 임피던스 전압 강하에 사용됩니다.

단락 회로 시험 하 근사 등가 회로는 아래와 같습니다.

관측 테이블:

VSC (V)	ISC (A)	PC (W)
…..	…..	…..

단락 회로 시험 기기 판독값:

• 전류계: 정격 1차 전류 (I_SC)
• 전압계: 공급 전압 (V_SC)
• 전력계: 정격 동손 (P_C)

정격 동손:

W_SC = I_SC² R₀₁

1차 측 기준 등가 저항:

1차 측 기준 등가 임피던스:

1차 측 기준 등가 리액턴스:

역률: