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 보내는 것이 아닌 최소한의 전력 손실 및 비용으로 최대한 많은 전기를 보내는 것이 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 할 때, 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 얼마안 되는거 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 스마트 그리드에 탁월할 것으로 전망된다.

• 전력변환발전기

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

참고

• 변전소