10편 – 변압기의 등가회로와 임피던스의 비밀

전기기사에서 변압기는 가장 기본적이면서도 동시에 반드시 깊게 이해해야 하는 핵심 파트 중 하나인데, 그중에서도 등가회로와 임피던스 개념은 처음 접할 때 복잡해 보이지만 실제로는 변압기가 어떻게 동작하고 어떤 손실이 생기며, 부하 조건에 따라 전압이 어떻게 변화하는지 설명해주는 가장 중요한 도구다. 변압기는 1차 권선과 2차 권선 사이에서 전자유도 작용에 의해 전압과 전류를 교환하는 기계이지만, 실제 변압기 안에서는 이상적인 변환만 이루어지는 것이 아니라, 권선의 저항과 누설 리액턴스, 자화전류, 철손 등 다양한 요소가 동시에 발생한다. 변압기를 등가회로로 표현하는 것은 이러한 실제 요소들을 하나의 회로로 단순화해서 이해하고 계산할 수 있게 만드는 과정으로, 전기기사 시험에서 매우 높은 비중으로 출제되는 핵심 이론이다.

 

 

변압기의 등가회로에서는 먼저 권선 저항을 고려해야 하는데, 이는 동손을 발생시키는 원인이 된다. 1차와 2차 권선 모두 저항이 존재하며, 이를 등가적으로 합산하여 1차측 또는 2차측으로 환산해 표현할 수 있다. 그다음 중요한 요소는 누설 리액턴스인데, 변압기 내부에서 모든 자속이 완벽하게 결합되는 것이 아니라 일부 자속이 철심을 통하지 않고 공기 중으로 누설되면서 리액턴스 성분을 만들어내기 때문에 생긴다. 누설 리액턴스는 부하 전류가 클수록 전압강하를 증가시키며, 변압기의 전압조정률에도 직접적인 영향을 미친다. 시험에서는 누설 리액턴스가 크면 기동전류가 줄어든다거나, 전압변동이 커진다거나 하는 특징이 자주 출제된다.

 

또한 변압기 등가회로에서 자화 리액턴스와 철손 저항은 철심에서 발생하는 자속을 유지하고 철손을 보상하기 위한 부분이며, 무부하시에도 일정 전류가 흐르는 이유가 바로 이 자화전류 때문이다. 이 자화전류는 전체 전류에서 차지하는 비중은 작지만 변압기의 무부하 시험에서 중요한 요소가 되며, 자화 리액턴스와 철손 저항은 직렬이 아닌 병렬로 표현되는 것이 특징이다. 이는 실제 철심의 자속 형성과 손실이 권선 전류와는 별도로 발생하기 때문이다.

 

전기기사 시험에서 등가회로는 반드시 1차 기준 또는 2차 기준으로 환산하는 과정을 묻는 문제가 많이 나오는데, 환산비는 권수비의 제곱에 비례한다는 점을 반드시 기억해야 한다. 예를 들어 권수비가 a라면 임피던스는 a²로 환산되며, 이 개념을 알지 못하면 전압강하나 효율 계산에서 실수를 하기 쉽다. 특히 단락시험과 무부하시험은 변압기의 매개변수를 구하기 위한 대표적인 방법으로, 단락시험에서는 2차를 단락시키고 1차에 전압을 조절하면서 손실과 전류를 측정해 동손과 임피던스를 구하고, 무부하시험에서는 2차를 개방하고 1차에 정격 전압을 가해 철손과 자화전류를 구한다. 시험에서는 왜 단락시험에서는 철손이 무시되는지, 왜 무부하시험에서는 동손을 무시하는지와 같은 개념적 질문도 자주 등장한다.

 

또한 변압기의 전압조정률, 효율 계산도 등가회로에서 비롯되는데 전압조정률은 부하가 걸렸을 때 전압이 얼마나 떨어지는지 나타내며, 부하의 역률에 따라 변압기 전압강하의 방향이 달라지는 이유도 리액턴스와 저항의 위상 차이로 설명된다. 효율은 출력과 입력의 비율로 나타내는데, 철손과 동손이 모두 포함되므로 부하율에 따라 효율이 달라지는 특징이 있으며, 최대 효율은 철손과 동손이 같을 때 발생한다는 공식도 시험에서 매우 자주 등장한다. 이러한 모든 설명을 제대로 이해하려면 등가회로를 기초로 변압기를 바라봐야 하며, 단순히 공식을 외우는 것이 아니라 등가회로가 의미하는 물리적인 구조와 변압기의 동작 원리를 이해하는 것이 가장 중요하다.

변압기의 등가회로와 임피던스는 처음엔 복잡해 보이지만, 사실은 변압기 내부에서 벌어지는 현상을 전기적으로 해석하기 위한 가장 강력한 도구이며, 전압강하, 손실, 효율, 시험 방법까지 모두 이 등가회로에서 파생되는 만큼 전기기사 공부에서 절대 빼놓을 수 없는 핵심 기반이라고 할 수 있다. 이 원리를 정확히 이해하고 나면 변압기 문제는 크게 어렵지 않고, 어떤 문제도 원리적으로 접근할 수 있기 때문에 시험에서 확실한 득점원이 된다.