변압기 손실 종류 총정리 + 예상문제 3문

변압기 손실 종류 총정리

철손, 동손, 와류손, 히스테리시스손 쉽게 구분하기

변압기는 전기에너지를 다른 전압으로 바꾸는 중요한 기기이지만,
운전 중에는 반드시 손실이 발생한다.

전기기사 시험에서는 특히
철손과 동손의 차이,
그리고 철손 안에 포함되는 와류손, 히스테리시스손의 개념을 정확히 구분하는 문제가 자주 나온다.

이번 글에서는 변압기 손실의 종류를 전체적으로 정리하고,
헷갈리기 쉬운 개념을 쉽게 구분해보겠다.

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1. 변압기 손실이란?

변압기 손실이란
입력된 전력 중에서 출력으로 전달되지 못하고 열 등으로 소모되는 전력을 말한다.

즉,

• 입력전력 = 출력전력 + 손실

이 된다.

변압기 손실은 크게 보면 다음 두 가지로 나눈다.

• 철손
• 동손

그리고 철손은 다시 다음 두 가지로 나뉜다.

• 와류손
• 히스테리시스손

즉 구조를 먼저 정리하면 이렇다.

변압기 손실 구조

이 구조를 먼저 머릿속에 넣으면 훨씬 덜 헷갈린다.

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2. 철손이란?

철손은 변압기 철심에서 발생하는 손실이다.
변압기 철심은 교류 자속을 계속 받기 때문에 손실이 생긴다.

철손은 부하와 관계없이
전원을 넣기만 해도 거의 일정하게 발생하는 손실이다.

그래서 철손을 무부하손이라고도 한다.

철손의 특징

• 철심에서 발생
• 부하와 거의 무관
• 전압과 주파수의 영향을 받음
• 무부하 상태에서도 발생
• 와류손과 히스테리시스손의 합

즉, 철손은 하나의 독립 손실처럼 보이지만
실제로는 내부적으로 와류손 + 히스테리시스손으로 구성된다.

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3. 와류손이란?

와류손은 철심 내부에 유도되는 순환전류(와전류) 때문에 발생하는 손실이다.

변압기 철심은 교류 자속에 의해 계속 자속 변화가 생긴다.
그러면 철심 자체에도 유도기전력이 생기고,
그 결과 철심 내부에 빙글빙글 도는 전류가 흐른다.
이 전류를 와전류라고 한다.

이 와전류가 철심의 저항 때문에 열을 발생시키는데,
그 손실이 바로 와류손이다.

와류손의 특징

• 철심 내부 유도전류 때문에 발생
• 열로 소모됨
• 철심 두께가 두꺼울수록 커짐
• 주파수가 높을수록 커짐
• 자속밀도가 클수록 커짐

와류손 감소 방법

와류손을 줄이기 위해서는 철심을 한 덩어리로 만들지 않고
얇은 규소강판을 절연해서 여러 장 겹쳐 사용한다.

이것을 적층 철심이라고 한다.

즉, 철심 내부에서 전류가 크게 돌지 못하도록 전류 통로를 잘게 나누는 것이다.

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4. 히스테리시스손이란?

히스테리시스손은 철심이 자화와 탈자를 반복할 때 발생하는 손실이다.

교류 자속이 흐르면 철심은
자화되었다가, 다시 방향이 바뀌고, 또 자화되었다가를 반복한다.
이 과정에서 에너지가 소모된다.

이 손실은 자성체가 가진 자기적 성질 때문에 생기며,
특히 히스테리시스 곡선의 면적과 관련이 있다.

쉽게 말하면,
철심이 자기를 따라가며 계속 방향을 바꾸는 과정에서
마찰 비슷한 에너지 소모가 발생한다고 이해하면 된다.

히스테리시스손의 특징

• 철심의 자화 반복 때문에 발생
• 교번 자속이 있을 때 발생
• 주파수가 높을수록 커짐
• 자속밀도가 클수록 커짐
• 자성 재료의 성질에 따라 달라짐

히스테리시스손 감소 방법

히스테리시스손을 줄이기 위해서는
히스테리시스 곡선 면적이 작은 재료, 즉 손실이 적은 자성재료를 사용해야 한다.

대표적으로 규소강판이 사용된다.

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5. 동손이란?

동손은 변압기 권선에 흐르는 전류 때문에 발생하는 손실이다.
권선은 구리선이나 알루미늄선으로 만들어지는데,
전류가 흐르면 저항 때문에 열이 발생한다.

즉, 철손은 전원을 넣으면 거의 일정하게 생기고,
동손은 부하가 걸릴수록 증가한다는 점이 핵심이다.

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6. 철손과 동손의 차이

변압기 손실 문제에서 가장 자주 출제되는 부분이
바로 철손과 동손의 차이이다.

철손

• 철심에서 발생
• 무부하손
• 거의 일정
• 와류손 + 히스테리시스손

동손

한 줄로 정리하면 다음과 같다.

 

철손은 철심 손실, 동손은 권선 손실이다.
철손은 거의 일정, 동손은 부하에 따라 변한다.

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7. 와류손과 히스테리시스손의 차이

둘 다 철손에 속하지만 원인은 다르다.

와류손

• 원인: 철심에 유도되는 전류
• 본질: 전류에 의한 줄열 손실
• 감소법: 적층 철심 사용

히스테리시스손

• 원인: 철심의 자화 반복
• 본질: 자성체의 자기적 에너지 소모
• 감소법: 좋은 자성재료 사용

즉,

• 와류손 = 철심 안의 전류 때문에 생김
• 히스테리시스손 = 철심의 자화 반복 때문에 생김

이렇게 구분하면 된다.

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8. 표로 한눈에 정리

 

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9. 시험에서 자주 나오는 핵심 포인트

시험에서는 다음 내용을 특히 잘 물어본다.

1) 철손의 구성

철손은
와류손 + 히스테리시스손이다.

2) 무부하손과 부하손

• 철손 = 무부하손
• 동손 = 부하손

에 비례하므로 부하전류가 커지면 급격히 증가한다.

4) 와류손 저감법

와류손을 줄이기 위해 철심을 얇게 적층한다.

5) 히스테리시스손 저감법

히스테리시스손을 줄이기 위해 양질의 규소강판을 사용한다.

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10. 쉽게 외우는 암기법

다음처럼 외우면 정리가 쉽다.

손실 분류 암기

철심 쪽은 철손, 권선 쪽은 동손

철손 구성 암기

철손 = 와류손 + 히스테리시스손

성질 암기

철손은 일정, 동손은 증가

감소법 암기

• 와류손 → 적층
• 히스테리시스손 → 재료 개선
• 동손 → 저항 감소

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11. 마무리

변압기 손실은 크게 철손과 동손으로 구분된다.
그리고 철손은 다시 와류손과 히스테리시스손으로 나뉜다.

정리하면 다음과 같다.

시험에서는 이 네 가지를 따로 외우기보다
어디서 생기고, 왜 생기고, 부하와 관계가 있는지를 함께 기억해야 한다.

그렇게 보면 문제를 훨씬 쉽게 풀 수 있다.

 

3. 기출형 문제 3개

문제 1

변압기 손실에 대한 설명으로 옳은 것은?

1. 동손은 철심에서 발생한다.
2. 철손은 부하전류가 증가할수록 크게 변한다.
3. 철손은 와류손과 히스테리시스손으로 구성된다.
4. 히스테리시스손은 권선 저항 때문에 발생한다.

정답: 3

해설:
철손은 철심에서 발생하는 손실이며, 내부적으로 와류손 + 히스테리시스손으로 구성된다.
동손은 권선에서 발생하는 I2RI^2RI2R 손실이다.

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문제 2

변압기의 동손에 대한 설명으로 가장 옳은 것은?

1. 무부하 상태에서 가장 크게 발생한다.
2. 철심의 자화 반복 때문에 발생한다.
3. 권선 저항에 의한 I2RI^2RI2R 손실이다.
4. 부하와 관계없이 거의 일정하다.

정답: 3

해설:
동손은 권선에 전류가 흐를 때 발생하는 저항 손실이다.
따라서 부하전류가 증가할수록 커지며, 무부하에서는 매우 작다.

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문제 3

변압기에서 와류손을 감소시키는 방법으로 가장 적절한 것은?

1. 권선 굵기를 증가시킨다.
2. 철심을 적층 구조로 만든다.
3. 부하전류를 증가시킨다.
4. 권수비를 크게 한다.

정답: 2

해설:
와류손은 철심 내부에 유도되는 전류 때문에 생긴다.
따라서 철심을 얇은 강판으로 적층하여 전류 경로를 잘게 나누면 와류손을 줄일 수 있다.