변압기는 전력계통에서 가장 기본적이면서도 중요한 장치인데, 그 성능을 평가할 때 항상 중심이 되는 요소가 바로 ‘효율’이다. 변압기의 효율을 이해하기 위해서는 먼저 어떤 손실들이 발생하는지, 그리고 그 손실들이 어떤 원리로 생기는지를 알아야 한다.
변압기에서 발생하는 손실은 크게 철손과 동손으로 나눌 수 있으며, 이 두 가지가 효율을 결정하는 핵심 요소가 된다. 철손은 변압기의 철심에서 발생하는 손실로, 주로 히스테리시스 손실과 와전류 손실로 구성되며, 이는 전압의 크기와 주파수, 그리고 철심 재료의 특성에 의해 결정된다. 철손의 특징은 부하와 관계없이, 즉 변압기에 전압만 인가되면 항상 일정하게 발생한다는 점이다. 전기를 공급하기만 해도 손실이 발생한다는 의미이며, 그래서 철손은 정격 주파수에서의 무부하 시험을 통해 측정된다. 반면 동손은 부하가 흐르는 과정에서 권선에 전류가 흐르며 발생하는 I²R 손실을 의미하고, 이는 부하 전류의 제곱에 비례해 증가한다. 즉, 부하가 커질수록 동손은 급격히 증가하며, 부하의 변화에 따라 가장 크게 변동되는 손실이기도 하다. 동손은 단락시험을 통해 측정되며, 정격전류 상태에서의 동손을 기준으로 부하율에 따라 계산된다.
변압기의 효율을 구하는 기본 공식은 출력 ÷ 입력이지만, 실무에서는 손실을 이용해 효율을 계산하는 방식이 더 자주 사용된다. 즉 효율 = 출력 / (출력 + 손실) = 출력 / (출력 + 철손 + 동손) 의 형태로 표현되며, 이때 철손은 일정하지만 동손은 부하의 제곱에 비례하기 때문에 효율은 부하의 크기에 따라 계속 변하게 된다. 변압기의 효율이 가장 높은 지점을 '최고효율점'이라고 하는데, 이 지점은 철손과 동손이 서로 같은 값이 되는 순간 발생한다. 즉, 철손 = 동손이 될 때 최대 효율이 나온다. 이는 변압기 설계에서 매우 중요한 기준이며, 실제로 제조사들은 변압기를 사용할 환경의 평균 부하율을 고려해 최고효율점이 적정 부하에서 오도록 설계한다. 변압기는 일반적으로 부하가 낮을 때 효율이 낮고, 일정 부하에서 효율이 최고점을 찍은 후 부하가 너무 커지면 다시 효율이 떨어지게 된다.
또한 효율과 함께 고려해야 할 것이 바로 전압 변동률이다. 변압기는 부하가 증가하면 내부의 전압강하로 인해 부하 단자 전압이 떨어지는데, 이 변동폭을 전압 변동률이라고 한다. 전압 변동률은 변압기 품질을 평가하는 중요한 요소이며, 내부 임피던스가 클수록 전압 변동률도 크게 나타난다. 따라서 변압기는 동손 감소를 위해 권선저항을 낮추고, 전압 변동률을 줄이기 위해 누설 리액턴스를 작게 하고, 동시에 철손을 줄이기 위해 고품질 규소강판을 사용하는 등 다양한 기술이 적용된다.
결국 변압기의 효율은 단순히 손실을 줄이는 것뿐만 아니라, 어떤 운전 상태에서 가장 안정적이고 이상적인 성능을 냈는지 판단하는 지표이며, 이를 통해 변압기의 설계, 운용, 유지보수 기준이 모두 결정된다. 변압기의 효율을 이해하는 것은 전기기사 시험에서도 매우 중요한 영역이므로, 철손은 항상 일정하며 동손은 전류 제곱에 비례한다는 점, 그리고 철손 = 동손일 때 최대 효율이 된다는 핵심 원리를 반드시 기억해야 한다.
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