변압기 원리 및 정격사항

왜 배우는가: 변압기는 전력 계통에서 전압을 바꾸는 핵심 기기이며, 정격·등가회로·효율 문제는 전기기기 영역에서 거의 매번 반복해 출제된다. 원리와 용어를 정확히 잡아야 뒤의 등가회로와 정격 문제를 풀 수 있다.

출제 이력: 제126회 3교시 2번, 제91회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

변압기는 전자유도작용을 이용하여 한 교류 회로의 전압과 전류를 다른 크기로 변환하는 정지 기기이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전자유도작용
• 권수비
• 상호 인덕턴스
• 여자전류
• 무부하전류
• 등가회로
• 정격용량
• 정격전압

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면 변압기는 코일 두 개를 같은 철심에 감아 전기를 자기로 넘겨 주는 장치다. 1차 권선에 교류를 가하면 철심 안에 교번 자속이 생기고, 이 자속과 쇄교하는 2차 권선에 기전력이 유도된다.

정식으로는 두 개 이상의 전기 회로와 하나 이상의 공통 자기 회로로 이루어져, 전자유도작용으로 교류의 전압과 전류 크기를 바꾸는 장치라고 정의한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

전자유도작용은 자속이 시간에 따라 변할 때 코일에 기전력이 생기는 현상이다. 패러데이 법칙으로 설명하며, 유도기전력의 크기는 자속 쇄교수의 시간 변화율에 비례한다.

권수비는 1차 권수 N1과 2차 권수 N2의 비다. 식으로는 $a = \frac{N_1}{N_2} = \frac{E_1}{E_2}$ 이며, 이상변압기에서는 전압비가 권수비와 같다. 전류비는 그 역수가 된다.

여자전류는 철심에 자속을 만드는 데 필요한 전류다. 전압보다 위상이 90° 뒤진다. 철심의 자기포화와 히스테리시스 때문에 실제 여자전류는 정현파가 아니고 고조파를 포함한 왜형파가 된다.

무부하전류는 2차를 개방했을 때 1차에 흐르는 전류다. 여자전류와 철손분 전류의 합으로 보며, 부하 여부와 관계없이 거의 일정하다.

3. 등장 배경과 필요성

전력은 발전소에서 높은 전압으로 보내야 송전 손실이 줄어든다. 반대로 수용가는 낮은 전압을 써야 안전하다. 이 두 요구를 이어 주는 기기가 변압기다.

직류는 전압을 간단히 바꾸기 어렵고, 교류는 변압기로 쉽게 바꿀 수 있다. 그래서 교류 송배전 체계가 자리 잡는 데 변압기가 결정적 역할을 했다.

변압기는 회전부가 없어 구조가 단순하고 효율이 높다. 이 때문에 발전소, 변전소, 배전선로, 기기 내부 전원까지 거의 모든 전력 계통에 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

변압기는 철심(코어)과 두 개의 권선으로 이루어진다. 철심은 규소강판을 얇게 성층해 와전류 손실을 줄이고, 1차 권선은 전원에, 2차 권선은 부하에 연결된다. 두 권선은 공통 자기회로인 철심을 통해 자속을 주고받는다.

표의 철심과 권선은 역할이 다르다. 철심은 자속 경로를 만들고, 권선은 전압과 전류를 결정한다. 동손과 철손이 변압기 내부 손실의 대부분을 차지한다.

전자유도 작용이 변압기 원리의 핵심이다. 1차 권선에 정현파 교류를 가하면 철심에 교번 자속 \phi가 생긴다. 이 자속이 두 권선과 쇄교하여 각 권선에 유도 기전력이 발생한다. 유도 기전력은 패러데이 법칙에 따라 권선 감은 수에 비례한다.

$E_1 = 4.44\,f\,N_1\,\phi_m,\qquad E_2 = 4.44\,f\,N_2\,\phi_m$

여기서 f는 주파수(Hz), N_1, N_2는 1·2차 권선 감은 수, \phi_m은 최대 자속(Wb)이다. 두 식의 비가 권수비 a = N_1/N_2 = E_1/E_2가 된다.

이상변압기에서 전압비는 권수비, 전류비는 권수비의 역수이다

이상변압기에서는 전력이 보존되므로 V_1 I_1 = V_2 I_2가 성립한다. 따라서 V_1/V_2 = N_1/N_2 = I_2/I_1이다. 전압을 올리면 전류는 줄고, 전압을 내리면 전류는 커진다.

등가회로를 구하는 절차는 다음과 같다.

• 2차 측 임피던스와 전압, 전류를 1차 측으로 환산한다. 2차 임피던스는 a^2배, 2차 전압은 a배, 2차 전류는 1/a배로 한다.
• 1차 권선 저항 R_1과 누설 리액턴스 X_1, 환산한 2차 a^2R_2, a^2X_2를 직렬로 합친다.
• 여자 분기(철손 저항 R_c와 자화 리액턴스 X_m)를 병렬로 붙인다.
• 단락시험과 무부하시험 값으로 각 상수를 구하고 부하 전압·효율을 계산한다.

여자전류는 자속을 만드는 전류이며 전압보다 위상이 약 90° 뒤진다. 철심의 자기포화와 히스테리시스 때문에 실제 무부하 전류는 정현파가 되지 않고 고조파를 포함한다.

5. 관련 법령·기준·표준

변압기의 정격과 손실은 국내 규격과 한국산업표준(KS)에서 정한다. 구체 조항은 전기 관련 법령과 전기기기 KS 규격을 따르며, 주요 기준값은 아래 표와 같다. 표의 값은 설계·시험에서 쓰는 대표 값이다.

정격은 제조업자가 지정 조건에서 사용 가능하도록 보장한 사용 한도다. 정격용량은 피상전력으로 나타낸다. 온도 상승, 효율, 손실, 소음 값은 보증값으로 명시되며 이를 넘지 않아야 한다. 정격 조건은 정격 전압, 정격 전류, 정격 주파수, 정격 역률을 함께 지정한다.

절연 등급은 옛 문자 분류(A, E, B, F, H 등)에서 최고 허용 온도(℃)로 바뀌었다. 절연 시스템 온도는 권선의 가장 뜨거운 지점의 최고 온도로 정한다. 절연 등급이 높을수록 비용이 늘어나므로 대용량 기기에 주로 쓰인다.

관련 기준 이름은 전기기기 KS 규격, 전기설비 관련 법령 체계를 따른다. 구체 조항 번호는 여기서 쓰지 않는다.

6. 유형과 비교

변압기는 용도와 구조에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 상 수, 권선 수, 냉각 방식, 용도별로 나누어 보면 설계와 선정 기준이 분명해진다. 답안에서는 단상 변압기와 삼상 변압기, 2권선 변압기와 3권선 변압기를 먼저 구분하는 것이 기본이다.

위 표는 상 수에 따른 구분이다. 삼상 변압기는 한 대로 3상 전력을 변성하므로 설치 면적과 손실이 단상 3대보다 유리하다.