산업의 발전으로 높은 품질의 전원을 요하는 전기기기가 증가하고 있다. 변압기는 전자력을 매개로 하여 전자유도작용에 의한 한 권선(1차측)에 유입된 교류전력을 또 다른 권선(2차측)에 동일한 주파수의 교류전력으로 변환해 주는 정지형(static) 유도장치로 전력계통을 이루는 가장 기본적인 전기기기이다.
변압기의 특성을 해석하여 변압기의 특성을 판단하거나 손실을 줄일 수 있는 방안을 제안한 선행연구는 오래전부터 진행되어 왔으나 일반적인 몰드형 일반변압기에 한정한 연구일 뿐 Zig-Zag Winding 기법으로 고조파를 상쇄시켜 전력손실을 줄여주는 신개념 변압기인 몰드형 하이브리드 변압기에 대한 연구는 아직 진행되지 않았다.
본 연구에서는 2.5[MVA]급의 고효율 몰드형 일반변압기와 몰드형 하이브리드 변압기를 모델로 선정하여 각각의 손실특성을 비교ㆍ해석하고 몰드형 하이브리드 변압기의 Tie Plate 슬롯 및 형상을 변형해 가며 조건을 달리해 손실을 최소화 할 수 있는 Tie Plate 설계방안을 제안하고 유한요소법(Finite Elements Method) 적용 시뮬레이션을 통해 효과를 확인하였다.
몰드형 일반변압기와 몰드형 하이브리드 변압기를 유한요소법(FEM) 기반의 해석프로그램인 FLUX 3D를 활용하여 해석하였다. 해석방법은 각 변압기의 제원을 입력하여 모델링 후 각 부하시(50% 부하, 100% 부하)의 효율과 손실을 계산하는 방식이다. 변압기 해석결과 100% 부하시를 기준으로 할 때, 몰드형 일반변압기 99.073%, 몰드형 하이브리드 변압기 99.042%의 효율을 나타내고 있다. 양 변압기 모두 99%가 넘는 수치를 나타냄을 확인하였다. 코어 손실은 몰드형 일반변압기 11,728[W], 몰드형 하이브리드 변압기 9,343[W]로 각각 전체손실의 50.59%, 39.02%를 차지함을 도출할 수 있었고, 동손(Copper Loss)은 몰드형 일반변압기 11,400[W], 몰드형 하이브리드 변압기 14,500[W]로 각각 전체손실의 49.18%, 60.55%를 차지함을 도출해 내었다. 그러나 Tie Plate 손실에서는 몰드형 하이브리드 변압기가 103.390[W]를 나타내 53.379[W]를 나타낸 몰드형 일반변압기에 비교해 193.69%라는 높은 손실을 보였다. 변압기 전체 손실 중에서 Tie Plate 손실이 차지하는 비율이 몰드형 일반변압기 0.23%, 몰드형 하이브리드 변압기 0.43%로 차지하는 비율 자체는 매우 낮다고 볼 수 있지만 반드시 검증하여 해결방안을 모색해야 될 과제다.
몰드형 하이브리드 변압기의 해석결과를 바탕으로 Tie Plate의 손실을 줄일 수 있는 형상 개선 방안을 변수를 적용해 가며 검증하였다. 변수로 선정한 방안은 2가지로 Tie Plate에 슬롯을 추가하는 방안과 Tie Plate의 형상 자체를 변형하는 방안이다. 슬롯 수가 많으면 와전류손이 줄어 손실이 감소하는 효과를 나타내는 이론을 바탕으로 연구를 진행하였다. 본 연구는 슬롯의 개수가 3개를 초과할 경우에는 Tie Plate의 기계적 강도가 약해져 본연의 역할인 코어를 잡아주는 역할을 하지 못하고 손실감소율도 크지 않기 때문에 슬롯의 수를 3개로 제한하여 연구를 진행하였다.
실험결과 두 가지 방안 모두 손실을 줄이는 데 효과적이라는 결과를 도출해 낼 수 있었다. 100% 부하시를 기준으로 슬롯을 추가한 형상의 Tie Plate를 적용한 몰드형 하이브리드 변압기가 34.677[W]의 손실 결과 값을 얻을 수 있었고 형상을 달리한 Tie Plate를 적용한 몰드형 하이브리드 변압기에서는 23.097[W]의 손실 결과를 얻을 수 있었다. 이는 기존 몰드형 하이브리드 변압기의 Tie Plate 해석에서 도출해낸 손실 값인 103.390[W] 보다 각각 65%, 75% 이상 감소한 수치로 슬롯의 추가와 형상의 변형이 Tie Plate의 손실을 줄일 수 있다는 것을 연구결과로 입증하였다.