변압기 — 자속으로 전압을 바꾼다

발전소에서 만든 전기를 먼 곳까지 보내려면 전압을 크게 올려야 하고, 집에서 쓰려면 다시 낮춰야 합니다. 이 일을 하는 것이 변압기입니다. 움직이는 부품이 하나도 없이 철심 속 자속만으로 전압을 바꾸기 때문에 효율이 99%를 넘습니다.

자속이 두 권선을 잇는다

1차 권선에 교류 전압을 걸면 전류가 흐르고, 그 전류가 철심 안에 교번하는 자속을 만듭니다. 이 자속이 2차 권선을 지나가며 전압을 유도합니다. 권선을 지나는 자속이 같으므로, 유도되는 전압은 감은 횟수에 비례합니다.

전압이 올라가면 전류는 그만큼 내려갑니다. 전력은 (손실을 빼면) 그대로이기 때문입니다. 송전 전압을 높이는 이유도 여기에 있습니다. 같은 전력을 보낼 때 전류가 줄고, 선로 손실 I²R이 전류의 제곱으로 줄어듭니다.

두 가지 손실

철손은 자속이 왔다 갔다 하며 철심에서 생기는 손실입니다. 자구가 뒤집히며 생기는 히스테리시스손과, 철심 안에 도는 맴돌이 전류에 의한 와전류손으로 나뉩니다. 와전류를 줄이려고 철심을 얇은 강판으로 쪼개 쌓고(성층), 히스테리시스를 줄이려고 규소를 섞습니다. 철손은 부하와 무관하게 전원에 연결된 동안 계속 나갑니다.

동손은 권선 저항에서 생기는 I²R 손실입니다. 전류의 제곱, 즉 부하율의 제곱에 비례합니다. 부하가 적을 때는 거의 없다가 전부하에 가까워지면 급격히 커집니다.

효율이 최대가 되는 지점

효율 곡선이 중간에서 봉긋한 이유가 여기 있습니다. 부하가 아주 적으면 출력은 작은데 철손은 그대로라 효율이 낮고, 부하가 크면 동손이 급증해 다시 떨어집니다. 그 사이 어딘가, 정확히는 동손이 철손과 같아지는 지점에서 효율이 최대가 됩니다.

배전용 변압기는 하루 대부분을 가벼운 부하로 보내므로, 일부러 최대 효율점을 정격보다 아래(보통 50~70%)에 오도록 설계합니다. 그래프에서 철손 선과 동손 선이 만나는 곳이 효율 꼭짓점과 일치하는지 확인해 보세요.

전압변동률

부하를 걸면 권선의 저항과 누설 리액턴스에 전압이 걸려 2차 전압이 떨어집니다. 무부하 대비 떨어진 비율이 전압변동률입니다.

역률이 나쁠수록(sinθ가 클수록) %X 항이 커져 전압이 더 많이 떨어집니다. 역률을 0.9에서 0.7로 낮춰 보면 전압변동률이 눈에 띄게 커지는 것을 볼 수 있습니다. 부하에 진상 콘덴서를 달아 역률을 개선하면 손실뿐 아니라 전압 품질도 같이 좋아지는 이유입니다.

• 역률 1.0과 0.7에서 전압변동률이 얼마나 달라지는지 비교해 보세요.
• 부하율을 0에서 130%까지 올리며 철손 선과 동손 선이 교차하는 지점을 찾아보세요.
• 주파수를 50 Hz로 내리고 인가 전압을 그대로 두면 자속 밀도가 어떻게 되는지 보세요.