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아몰퍼스 고효율 몰드변압기와 레이저 저소음 고효율 몰드변압기
2008년 6월 2일 (월) 23:59:00 |   지면 발행 ( 2008년 5월호 - 전체 보기 )

아몰퍼스 고효율 몰드변압기와 레이저 저소음 고효율 몰드변압기ABB코리아 (02)528-3131 / www.abb.co.kr개요변압기는 전기를 사용하는 데 관련된 모든 기기들 중에서 가장 핵심적인 설비이므로, 신뢰할 수 있는 변압기의 선택은 안정적인 일상생활과 생산 활동을 위한 중요한 요소로 작용한다. 최근 고유가와 지구 온난화에 대한 전 세계적인 관심이 높아짐에 따라 일상생활과 밀접한 관계를 맺고 있는 변압기에도 변화가 촉구되고 있다. ‘교토의정서’에 제시된 바와 같이, 지구 환경 문제에 있어 가장 크게 이슈화되고 있는 지구 온난화 현상의 주요 원인인 CO2의 발생량을 줄이는 데 초점이 모아지면서, 이와 관련하여 석유 소비를 줄이기 위한 정부의 강력한 에너지 절약 정책에도 비상이 걸린 상황이다. 정부가 직접세금 감면정책을 지양하고 고효율화 정책으로 장기적 체질개선에 나서면서 기업들 역시 에너지절약형 고효율 변압기 연구 개발과 생산에 박차를 가하고 있다. 고효율화를 위한 설계 개선변압기의 고효율화를 실현시키려면 철심과 권선에서 발생하는 무부하손실(No-Load Loss)과 부하손실(Load Loss)을 줄여 총 손실을 절감해야 한다. 철심에서 발생하는 무부하손실은 변압기 1차측에 전원이 인가된 상태에서 항상 발생하는 일종의 대기전력 손실로, 부하율이 낮을수록 총 손실에 미치는 영향이 커진다. 이와 반대로 권선에서 발생하는 부하손실은 변압기 부하율에 따라 변동되는 손실로, 대략 부하율의 제곱에 비례하여 발생하며 부하율이 높을수록 총 손실에 미치는 영향이 커진다. 일반적으로 변압기 손실은 100% 부하 기준에서 부하손실과 무부하손실의 비율이 8:2로 구성된다. 따라서 평균 부하율이 낮으면 효율은 무부하손실에 의해 좌우되며, 반면에 평균 부하율이 높으면 부하손실이 효율에 큰 영향을 미치게 된다.무부하손실을 줄이는 방법으로 철심의 자속 밀도를 낮추는 방법, 철심재료를 개량하는 방법, 가공방법을 개선하는 방법과 두께를 얇게 하여 Eddy Loss를 줄이는 방법이 있으며, 부하손실을 개선하는 방법으로는 변압기 소형화를 통해 코일의 크기를 작게 하고 도체의 길이를 짧게 하거나 단면이 얇은 도체를 채택하는 방법이 있다. 이중에서 특히 철심 소재 개선을 통해 무부하손실을 줄이는 방법이 연구되어 왔으며, 이는 규소강판에 열처리 및 추가 공정개선으로 인한 자구미세화와 규소합금(아몰퍼스)의 생산방법 변경을 통한 자구미세화로 정리할 수 있다.

[그림 1] 평균 부하율에 따른 부하 손실철심(무부하손)의 개선1. 아몰퍼스(Amorphous)아몰퍼스 코어란 1960년대 Au-Si 합금의 금속을 급랭 응고시켜 비정질 금속(아몰퍼스 메탈)을 생성한 것으로 무결정의 비정질 구조에 두께가 얇은 것이 특징이다.

[표 1] 고효율화를 위한 소재 개선
ABB는 2000년도에 이 아몰포스 메탈을 사용한 고효율 아몰퍼스 몰드변압기를 개발하여 고효율 변압기 1세대를 열었다. 당시 이 변압기는 Low Loss 개념의 인지로 설계 능력을 증가시켰으며 신소재 개발 기술에 대한 관심을 높인 데다 KS규격 대비 전력 절감 효과가 탁월했다. 그러나 부하율이 클수록 에너지절감 효과가 낮아져 대다수 현장에서 실제로 사용하는 부하율(40~50%)에서 효과가 적고 절감 효과에 비해 투자 회수 기간이 장기화된다는 단점이 발생했다. 또한 아몰퍼스 코어의 가공 한계성 때문에 1,250㎸A 이상 제작 시 철손 절감효과가 급속히 떨어지고 이런 소재의 기술적 한계로 인해 소음이 KS기준보다 더 커졌다는 문제도 생겼다. 이에 2004년에 1세대 아몰퍼스 고효율 변압기의 단점을 보완한 2세대 고효율 몰드변압기를 개발하게 되었다. 이 변압기는 다양한 부하율과 용도, 용량에 적합한 다양한 모델을 가지고 있으며 투자회수 기간도 약 7년에서 2.5년까지 줄였다. 또한 환경친화적으로 소음을 감소시킴으로서 평균 20㏈의 소음 저감 효과를 얻을 수 있었다. 2. 레이저(Laser)

[그림 2] 아몰퍼스 메탈, 방향성 규소 강판, 아몰퍼스 코어의 성형(왼쪽부터) 자구미세화 코어는 자구(磁區, Domain)를 강제적으로 분할시켜 철손을 개선한 것으로 여기에는 레이저(Laser)처리, 기어드롤(Geared Roll)에 의한 기계적 방법, 화학적 방법 등이 사용된다. 레이저 처리의 경우 500℃ 이상에서 열처리했을 때 철손이 열화된다. <표 2>는 각각 아몰퍼스 메탈과 레이저 처리 후 자구미세화 코어를 사용해 철심을 개선한 내용을 비교한 것이다.

[표 2] 철심 개선에 있어 레이저와 아몰퍼스 메탈의 비교
아몰퍼스 고효율 몰드 변압기 1. 아몰퍼스 코어의 특징철(Fe), 붕소(B), 규소(Si) 등이 혼합된 용융금속을 급속 냉각시켜 만든 비정질성 자성재료로, 비정질성에 의한 히스테리시스손을 절감시킬 수 있으며 두께가 얇기 때문에 와류손 절감을 기대할 수 있다. 2. 아몰퍼스 고효율 몰드 변압기 변압기의 기본 구성 요소인 철심 재료를 일반적인 방향성 규소강판 대신 아몰퍼스 메탈을 사용하여 무부하손을 기존 변압기의 75% 이상 절감한 절전형 고효율 변압기로, 대기전력 절감 효과가 탁월하다. 또한 평균 부하율이 낮고 낮과 밤의 부하 사용 편차가 큰 경부하 수용가에 유리하다. 최대 1,250㎸A까지 제작 가능하며 주로 학교, 도서관, 관공서에 적용된다. 레이저 저소음 고효율 변압기 개발2004년 3월 18일 ‘자구미세화 적용 고효율 몰드변압기 산자부(현 지식경제부) 고시안 개정안 협의 및 레이저 코어 사용 변압기 개발 의뢰’에 따라, ABB와 포스코는 변압기의 기본 구성 요소인 철심의 재료를 일반적인 방향성 규소강판(CGO) 또는 아몰퍼스 코어 대신 레이저 코어(자구미세화 강판, HGO)를 사용한 차세대형 레이저 저소음 고효율 변압기를 개발하게 되었다.

[그림 3] 제품별 철손 비교1. 자구미세화 강판의 특징변압기 철심의 원재료인 방향성 규소강판을 레이저빔으로 가공, 분자구조인 자구를 미세하게 분할함으로써 손실을 개선한 전기강판이다. 특히 소재의 특성상 소음이 적고 가공이 용이하여 1,250㎸A 이상의 변압기 제작이 가능하며, 2007년 분당의 인터넷 데이터 센터에 10㎹A 레이져 저소음 고효율변압기를 3대 공급함으로써 용량의 한계는 극복한 상태다.

[표 3] 각 변압기 비교표
예) 3ph 1,000㎸A 22,9000V/380V 사용조건 : 부하율 70% × 16시간 + 부하율 40% × 8시간2. 레이저 저소음 고효율 몰드변압기변압기의 기본 구성 요소인 철심의 재료로 방향성 규소강판을 레이저 가공 처리한 자구미세화 강판을 사용하여 부하손실을 30%, 무부하손실을 60~70% 절감한 차세대형 고효율 몰드변압기다. 무부하손 60%와 부하손 30%를 동시에 절감하여 총 손실을 최소화할 수 있다. 아몰퍼스 대비 실질 투자회수 기간을 단축시킬 수 있으며 아몰퍼스 및 KSC 구격 일반 변압기 대비 30% 이상의 저소음을 실현한다.

[그림 4] 레이저 저소음 고효율 몰드변압기또한 최대 20㎹A까지의 대용량 변압기 제작이 가능하며 평균 부하율이 높고(30% 이상) 낮과 밤, 계절별 부하 사용의 편차가 크지 않은 수용가에 유리하다. 주로 아파트, 빌딩, 제조공장, 병원, 방송국, 사무용 빌딩 등에 적용 가능하다. 과부하 내량 증가로 UPS, DC, 정류기, 전산기기 등에서 발생하는 고조파 대비용 변압기로도 사용 가능하다. 이 변압기는 2007년 7월 23일 고효율에너지기자재에 대한 인증이 개정됨에 따라, 새로운 고효율 기자재로 추가 인증되어 향후 고효율 변압기의 보급 확대에 기여할 것을 보인다.

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