변압기의 차폐라는게 대체 뭘까?(공통모드,노멀모드,차폐TR,NCT)

우리가 변압기 공부를 하다보면 

 

1:1 변압기를 마주할 때가 있다.

 

변압은 전압을 변화시키기 위해서 있는거아닌가? 왜 1:1 변압을 하는거지?' 라는 의문이 들었다.

 

목적은 아래와 같다. 다소 어렵게 느껴지기도 한다.

 

  1. 송전선로의 정전용량이 과도하게 커서 경부하 시 모선 전압 상승(자기여자 현상)을 방지하기 위해 리액터처럼 사용.

  2. 단락용량이 커 차단기 용량을 초과할 때 임피던스로 단락 전류를 경감.

  3. 병원, 수영장 등 감전 위험이 높은 장소에서 비접지 절연변압기로 노이즈·서지 차단 및 안전 확보.

 

결국 1,2번의 경우 는 부하와 발전기 사이에 변압기를 설치해서 Z를 추가하는 개념으로 보면 될 것 같다.

 

100/Z *In 에 의해서 결국 단락전류를 낮출 수 있는 것이다.

 

그렇다면 뭐 스위칭 리액터나 임피던스 역할할 수 있는 전자기기를 설치하면되지 왜 굳이 변압기를 사용하는가? 라는 의문이 생긴다.

 

오늘 내가 다루어볼 핵심의 내용을 포함하고 있으니 잘 읽어보기 바란다.

 

  1) 1:1 변압기는 임피던스(Z) 외에 완전 절연(galvanic isolation), 잡음/서지 차단, 노이즈 필터링을 동시에 제공해 정밀 부하나 안전 요구 장소(병원, 공항)에 적합합니다.​
  2) 정상 운전 시 전압 변환 없이 효율 높고(손실 최소), 단락 시에만 임피던스 효과 극대화되며, 리액터 대비 유지보수 용이하고 과부하 내구성 우수합니다.

 

정리를 해 보면 결국에 전력 공급상에 품질문제가 없고, 서지/노이즈 등을 차단해 줘 매우 부하에 양질의 전력을 공급할 수 있다라는 것이다.

 

그렇다면 잡음/ 서지 차단이라는게 대체 뭘까? 이 글을 작성하게 된 배경이다.

 

자 여기서부터는 내가 이해한 것을 바탕으로 최대한 이 글을 읽는 사람이 이해가 쉽도록 설명을 해 보겠다.

아무래도 이런 노이즈 관련 설계는 기판설계쪽의 전문 분야이므로 우리처럼 전기관련 공부 하는사람들은 가볍게 의미 정도만 정확히 정리하는게 정신건강에 좋아 보인다.

 

먼저 1차의 노이즈가 2차로 전달된다라는 개념을 생각해보자

 

1차권선/2차권선 사이에 커페시터(C) 에 의한  정전유도

그리고 1,2차 권선 사이의 상호 인덕턴스에 의한  전자유도 가 있다

 

뭐 고주파건 저주파던 정상적인 주파수건 비정상적 주파수건 간에 C랑 M 에 의해서 2차측으로 전달될 수 있다 이거다.

 

 

 

그 전달에너지는 아래와 같다. (에너지 전달의 관점이다)

전달 방정식: V_noise_2차 ≈ jω (Cp * V_noise_1차) + M * di/dt (ω: 각주파수).

 

자 일단 우리는 노이즈 종류와 관계없이 어쨋건 2차로 어떤식으로 에너지가 전달되는지까지 전달이 된 것이다.

 

그럼 노이즈 종류가 뭐가 있는건가??

 

 

자 위를 보고 한 번 이해를 위해 노력해보자 우리가 노이즈를 그냥 전류라고 생각해보자

 

그럼그 전류가 왼쪽 그림처럼 L1, L2를 직렬으로 흘러서 접지로 빠지는 모양새를 우리가 Nomal 노이즈라고 한다.

 

L1,L2 를 흐르는 전류의 방향이 반대로 볼 수 있으니 차동모드 임

 

다음 우측 그림을 보자 우리가 상상을 해보자면 이 노이즈 원이라는게 선로 사이에서 발생한 게 아니라

외함과 회로 사이에 생긴경우를 상상해보자, 그렇다면 2개의 전원선에는 같은 위상의 노이즈가 병렬로 타고 와서 

접지로 빠져 나가는 모양새가 만들어진다. 우리가 보통 그라운드를 컴몽잡아서 많이 쓰지않는가?

그래서 컴몽 모드라고 이해하면 될 것 같다. (내 설명의 한계이다 ㅠㅠ)

 

자 그럼 중간 정리

노이즈 자체는 컴몽, 노멀모드가 있는데 위 설명처럼 발생하고

이런 노이즈 (종류에 관계없이) 1,2차 권선에 의해서 전달 될 수 있는 상황이 많다라는 것이다.

 

그래서 우리는 부하에 좋은 양질의 전력만 공급하고 싶기에 차폐TR 이니, NCT (Noise Cut Transfomer) 를 만들어 낸 것이다.

 

그럼 또 차폐 TR은 뭐고 NCT는 뭐야? 무슨 차이인거야? 라는 질문이 머릿 속을 지배하게 된다.

 

자 먼저 물리적으로 어떤식으로 저 위의 노이즈를 전달되는것을 막을까 상상해보자.

 

1차에 생긴 노이즈를 2차에 전달하면 안되니까 일단 1,2차 권선 사이에 뭔가를 설치를 해야겠다

 

해서 아래 그림과 같이 개요도를 도식화해서 나타내고 이해를 시작해 보자.

 

 

그림을 보면 3상 변압기 인거 같고, 1,2차 사이에 E-Shild라고 하는 쉴드가 설치되어 있다.

 

음.. 어쨋든 이 쉴드는 접지가 되어있네..  그럼 뭔가 전하만 쉴드로 잘 모아주면 접지로 빼 낼 수 있지않을까?

하는 생각이 든다.

 

자. 아래 그림은 정전 유도가 되는걸 막을 수 있도록 비자성체 (Cu 호일) 을 가지고 쉴드 역할 을 하도록 한 것이다.

 

이렇게 설계 된것이 차폐 TR로 보면 되고 차폐 TR은 정전유도 되는 것을 막아 ( 커먼 모드는 Cp(정전유도)가 주 전달 경로) 커먼모드 노이즈를 막을 수 있는 것이다. 

접지된 E-쉴드는 1차 권선과 2차 권선 사이의 용량성 결합을 줄여줍니다. 1차 권선은 2차 권선과 결합하는 대신 E-쉴드와 결합합니다. 접지된 E-쉴드는 접지로 가는 저임피던스 경로를 제공합니다. 전압 교란은 2차 권선에서 다른 방향으로 전달됩니다. 이는 변압기의 다른 쪽(2차 권선에서 1차 권선으로)에서도 작동합니다.

 

 

다음은 그럼 전자유도 되는 것은? 아 노멀모드의 주 경로이지 않을 까? 

 

위 설명했던 차폐TR 은 전자유도를 충분히 막지 못한다. 

 

먼저 전자유도를 막으려면 1,2차 사이에 이동하려는 자속과 같은 매개체를 어딘가로 가두어 줘야하는 개념으로 접근해야된다.

 

자속이 막 1차를 떠나서 2차권선으로 가려고하는놈을 중간 쉴드가 납치해서 딱 가둬줘야 전달을 막을 수 있다.

 

그럼 어찌해야될까?

 

차폐 TR보다 훨 씬 많은 중간 쉴드에 기능적으로 추가가 되어야 가능하다.

 

 

먼저 NCT 의 회로 구성 개요는 위와 같다고 한다. 

 

위에 필터같은 걸 딥하게 다루다보면 이제 답이 안나오는 것이고

 

쉽게 접근해 봤으면 좋겠다.

 

그럼 이쯤해서 차폐라는게 뭔지 좀 봐보자

 

아까 차폐TR은 정전 차폐를 훌륭하게 해 냈기 때문에 정전 유도를 막았다고 했다.

 

근데 NCT는 정전차폐에 더해서 전자 차폐까지 해야되는 임무를 가진 것이다.

 

차폐 TR: 커먼 모드 노이즈 차단 특화 (접지로 1·2차 공통 전위를 GND로 바이패스)

NCT: 커먼+노멀 모드 모두 차단 (다중 실드+고μ 코어로 정전/전자유도 완전 차단)

 

정전차폐: 내부 E=0 (∇·D=0, 도체 내 전하 재배치).

전자차폐: B=μH, 고μ로 자속(Φ=B·A)을 차폐물 내로 밀어넣음 (Φ_내부 ↓).

 

자 위 개념을 잘 곱씹어가면서 이해하려고 노력하자.

 

자 아래의 차폐TR과 NCT의 비교자료를 보면서 계속 가보자

 

 

 

자 위 설명에도 나와있지만  차폐 TR에는 전자차폐층이 없고, NCT에는 있다.

 

그 기능을 하는놈이 퍼멀로이라는 재료라고 한다. (나도 사실 잘 모름)

 

자 NCT는 굳이 접지를 하지않아도 다중 정전차폐층에 의해서 충분히 커먼노이즈를 차단 시킬 수 있고

중간에 퍼멀로이에 의해서 자속도 감쇄시킬 수 있으므로 거의 완벽한 노이즈 차단이 가능하다고 한다.

 

 

NCT 쉴드 구조를 위 그림을 보고 잘 상상해 보자.

 

마지막으로 NCT가 실제로 어떻게 생겼는지? 그냥 일반 전자기기처럼 생겼고..

판넬 내부 설치타입과, 외부설치 타입이 있는 것 같다.