변압기

변압기(變壓器, electric transformer)는 교류전압의 크기를 바꿔주는 장치다. 직류도 변압이 가능하나, 변압기보다는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)라고 불린다.

여담으로 가정용 소형 변압기를 "도란스"라는 명칭으로도 부르는데 이는 영어를 일본식 발음으로 읽은 것이다.

변압의 필요성

전기 그냥 보내면 그만 아닌가? 라고 할 수 있지만, 전기를 그냥 보내는것이 아닌 최소한의 전력 손실 및 비용으로 최대한 많은 전기를 보내는것이 송전의 목표다.

직류

전기를 고압으로 전송하면 전선에서 소모되는 에너지가 대폭 감소한다. 전선에서 소모되는 전력 P는 [math]\displaystyle{ I^2R }[/math]인데, 전압을 10배로 승압하면 I는 [math]\displaystyle{ \frac{1}{10} }[/math]으로 줄어드므로, 손실되는 전력이 10%로 감소한다. 그러므로 가능한 전압을 올려서 송전하게 된다. 흔히 말하는 765kV라던지 22900V같이 높게 전압을 올려서 송전한다.

• 왜 전력이 P=I²R 인가? P=V²/R 아니냐?고 물을 수 있지만, 전선에서 모든 전력을 소모한다고 가정하면 이게 맞지만, 그게 아니므로 다른 경우라고 할 수 있다.

아래 예시를 보자.

왼쪽 저항은 전선의 저항, 오른쪽은 사용할 기기의 저항이라고 하자, 0.9W의 전력을 필요로 한다고 가정하고, 10V의 전압으로 전기를 공급을 받아서 90Ω의 저항을 연결했다고 할때, 이때 전선에서 소비되는 에너지는 0.1W이다. 그런데 20V로 승압을 했더니, 똑같은 0.9W의 전력을 얻기위해서는 더 큰 저항이 필요하며, 그에 따라서 전류가 감소한다. 이 경우, 전선에서 소비되는 에너지(왼쪽 저항)는 0.02W로 대폭 줄어든다. 승압을 하니 똑같은 전력을 얻기위해서 더 적은 에너지가 손실되므로 최대한으로 전압을 올리는게 이득이 된다!

이게 얼마안되는거 같지만, 발전소 단위로 가면 낭비되는 에너지는 더 커질것이므로 (그 손실분 만큼 전기를 더 만들어야 하니까) 어떻게든 전압을 가능한 만큼 올리는게 비용 절감에도 도움이 된다.

전선의 총 저항을 줄이면 되지 않느냐, 하지만, 그렇게 하기 위해서는

1. 전선의 길이를 줄인다.
2. 전선의 단면적을 크게한다.
3. 비저항이 적은 물질로 교체

인데, 공급처와 사용처 (발전소와 사용할곳)의 거리는 상당히 먼 거리이며 사용할곳 옆마다 발전소를 설치하기도 힘들다, 그렇다고 전선의 단면적을 크게 하자니, 전선이 무거워지고, 제조비가 증가하며, 설치 및 관리비용도 증가한다. 남은건 물질인데, 전선으로 사용되는 구리보다 비저항이 적은 물질은 은인데, 은의 가격은... 이하생략.

교류

교류를 이용한 다른 예시를 보면

전선이 매우 길어서(수~수십 km) 저항이 크다고 가정하고, 변압 시설이 있다고 가정해서 100배 승압후 다시 100배 감압을 한 경우 손실되는 에너지는 1%이다. 그런데 이걸 변압을 하지않고 그대로 전송하면 50%가 넘는 에너지가 증발한다!

작동 방식의 종류

• 코일식

  감은 횟수를 달리한 코일 2개를 마주보게 하고 한쪽에 전기를 흘리면, 다른 코일에 유도전류가 형성된다. 이때 코일을 감은 정도에 따라 전압이 달라진다. 일반적인 변압기는 이런 구조로 나온다.

• 반도체

  유도전류를 형성해 변환한다는 기본적인 원리에 입각하여, 그 통제를 쇳덩어리가 아닌 반도체로 하는 방법. 기존 코일식보다 경량화되며, 단방향이 아닌 양방향 흐름이 가능해 스마트그리드에 탁월할 것으로 전망된다.

• 전력변환발전기

  전동기와 발전기의 축을 연결하고, 전동기를 돌려서 발전기에서 전기를 만들어내는 방식이다. 전압보다는 주파수를 조절할 필요가 있을 때 주로 사용된다.

참고

• 변전소