변압기 등가회로 쉽게 이해하기 + 예상문제 3문

변압기 등가회로 쉽게 이해하기 + 예상문제 3문

시험에 자주 나오는데 헷갈리는 이유를 한 번에 정리

변압기를 공부하다 보면 꼭 나오는 것이 바로 등가회로이다.
처음 보면 저항, 리액턴스, 여자전류, 철손저항까지 한꺼번에 나와서 복잡해 보인다.
하지만 핵심은 어렵지 않다.

변압기 등가회로는 실제 변압기 내부에서 생기는 손실과 전압강하를 회로로 바꿔 표현한 것이다.
즉, 눈에 보이지 않는 변압기 내부 현상을 저항과 리액턴스로 흉내 낸 회로라고 생각하면 이해가 훨씬 쉽다.

이번 글에서는 변압기 등가회로를
왜 쓰는지,
각 성분이 무엇을 뜻하는지,
시험에서는 어떻게 출제되는지까지 쉽게 정리해 보겠다.

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1. 변압기 등가회로란?

변압기는 겉으로 보면 1차 권선, 철심, 2차 권선으로 이루어진 단순한 기기처럼 보인다.
하지만 실제로는 내부에서 여러 현상이 동시에 일어난다.

예를 들면 다음과 같다.

• 권선에는 저항이 있어서 동손이 발생한다.
• 권선에는 누설자속 때문에 누설리액턴스가 생긴다.
• 철심에서는 히스테리시스손과 와전류손이 발생한다.
• 자속을 만들기 위해 여자전류가 필요하다.

이런 요소들을 실제 회로의 부품처럼 나타낸 것이 변압기 등가회로이다.

즉,

• 권선의 저항 → 저항
• 누설자속 효과 → 리액턴스
• 철손 → 저항
• 자화작용 → 리액턴스

로 바꾸어 표현하는 것이다.

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2. 왜 등가회로를 사용하는가?

변압기 내부 현상을 그대로 계산하기는 어렵다.
그래서 그것을 회로 형태로 바꾸면 계산이 쉬워진다.

등가회로를 사용하면 다음을 구할 수 있다.

• 전압강하
• 동손, 철손
• 효율
• 전압변동률
• 입력과 출력 관계
• 부하시의 성능

즉, 변압기의 실제 성능을 계산하기 위한 도구가 바로 등가회로이다.

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3. 변압기 등가회로를 아주 쉽게 생각하는 방법

변압기를 하나의 “이상변압기 + 여러 방해요소”로 보면 쉽다.

이상변압기

손실이 전혀 없고 전압비와 전류비만 완벽하게 변환하는 이상적인 부분

실제 변압기에서 추가되는 방해요소

• 권선저항 때문에 열이 난다
• 누설리액턴스 때문에 전압이 떨어진다
• 철심에서 손실이 난다
• 자속을 만들기 위한 전류가 따로 필요하다

즉, 실제 변압기는

이상변압기 + 저항 + 리액턴스 + 철손분 + 여자분

으로 이루어졌다고 보면 된다.

4. 변압기 등가회로의 구성요소

변압기 등가회로에서 자주 나오는 기호는 다음과 같다.

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5. 여자전류와 무부하전류는 무엇인가?

이 부분에서 많이 헷갈린다.

변압기는 2차에 부하가 없더라도 1차에 전압을 걸면 전류가 조금 흐른다.
이것이 무부하전류이다.

무부하전류는 크게 두 부분으로 나눌 수 있다.

• 철손전류: 철손을 공급하기 위한 전류
• 여자전류: 자속을 만들기 위한 전류

즉,

무부하전류 = 철손전류 + 여자전류

라고 이해하면 된다.

이를 등가회로에서는
철손저항과 여자리액턴스를 병렬로 연결해서 표현한다.

왜 병렬일까?

변압기에 전압을 걸면
한쪽은 철손을 발생시키고,
다른 한쪽은 자속을 만들기 위해 동시에 작용하기 때문이다.

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6. 변압기 등가회로의 기본 모양

기본적으로 변압기 등가회로는 다음처럼 생각하면 된다.

즉,

직렬 성분

• 권선저항
• 누설리액턴스

병렬 성분

• 철손저항
• 여자리액턴스

이 구조를 기억하면 된다.

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7. 직렬 성분과 병렬 성분을 구분하는 요령

직렬 성분

전류가 부하전류처럼 흘러가면서 전압강하를 만드는 요소

• 권선저항
• 누설리액턴스

이들은 부하가 커질수록 영향이 커진다.

병렬 성분

전압이 걸리면 항상 작용하는 요소

• 철손저항
• 여자리액턴스

이들은 주로 무부하 상태에서도 존재한다.

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8. 1차측 환산이란 무엇인가?

실제 등가회로는 1차와 2차가 따로 있어서 계산이 번거롭다.
그래서 보통 한쪽으로 몰아서 계산한다.
이것이 환산이다.

예를 들어 2차측 값을 1차측으로 옮기면,

처럼 프라임을 붙여 표시한다.

그러면 전체를 1차측 기준으로 한 회로에서 계산할 수 있다.

마찬가지로 1차측을 2차측으로 옮길 수도 있다.

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9. 왜 제곱이 붙는가?

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10. 간략 등가회로는 왜 만드는가?

실제 정확한 등가회로는 가운데에 병렬 가지가 있고, 이상변압기도 따로 있어서 계산이 번거롭다.
그래서 실무나 시험에서는 간략 등가회로를 자주 사용한다.

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11. 시험에서 가장 중요한 해석

변압기 등가회로를 시험에서 볼 때는 다음처럼 해석하면 된다.

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12. 단락시험과 무부하시험과의 관계

변압기 등가회로는 시험법과 연결해서 이해하면 더 쉽다.

무부하시험

2차를 개방하고 1차에 정격전압을 가하는 시험

주로 구하는 것:

• 철손
• 무부하전류
• 여자분

즉, 병렬 가지 성분을 구하는 시험이라고 보면 된다.

단락시험

2차를 단락하고 1차에 저전압을 가하는 시험

주로 구하는 것:

• 동손
• 등가저항
• 등가리액턴스

즉, 직렬 성분을 구하는 시험이라고 보면 된다.

이 연결이 시험에 매우 중요하다.

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13. 아주 쉬운 비유로 이해하기

변압기를 “물을 보내는 장치”라고 생각해 보자.

• 이상변압기: 물의 압력을 완벽하게 바꾸는 장치
• 권선저항: 관 속 마찰 때문에 생기는 손실
• 누설리액턴스: 물이 새는 것은 아니지만 전달이 매끄럽지 않은 방해요소
• 철손저항: 장치 내부에서 계속 새는 에너지
• 여자리액턴스: 장치가 작동하기 위해 기본적으로 필요한 힘

즉, 실제 변압기는 단순한 전압변환기라기보다
손실과 방해요소를 함께 가진 장치이고,
그것을 계산용 회로로 바꿔 놓은 것이 등가회로다.

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14. 암기 포인트

시험용으로는 아래만 정확히 기억해도 큰 도움이 된다.

1) 직렬 성분

• 권선저항
• 누설리액턴스

2) 병렬 성분

• 철손저항
• 여자리액턴스

3) 무부하시험

• 철손 측정
• 여자분 파악

4) 단락시험

• 동손 측정
• 등가임피던스 파악

5) 환산

• 다른 쪽 임피던스를 옮길 때 권수비의 제곱 사용

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15. 자주 헷갈리는 부분 정리

Q1. 철손저항은 왜 저항으로 나타내는가?

철손은 실제 전력을 소비한다.
실제 전력을 소비하는 성분은 회로에서 저항으로 표현한다.

Q2. 여자리액턴스는 왜 리액턴스로 나타내는가?

자속을 만들기 위한 전류는 주로 무효전력과 관련된다.
그래서 리액턴스로 표현한다.

Q3. 동손은 어디에서 발생하는가?

1차와 2차 권선저항에서 발생한다.

Q4. 전압변동률은 무엇과 관련이 큰가?

직렬 성분, 즉 등가저항과 등가리액턴스와 관련이 크다.

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16. 한 번에 정리하는 핵심

변압기 등가회로는
실제 변압기를 계산 가능한 회로로 바꾼 것이다.

• 권선저항 → 동손
• 누설리액턴스 → 전압강하
• 철손저항 → 철손
• 여자리액턴스 → 자화작용

그리고 시험에서는 보통
무부하시험 = 병렬 성분,
단락시험 = 직렬 성분
으로 연결해서 물어본다.

결국 변압기 등가회로의 핵심은 이것이다.

이상변압기 하나만으로는 실제 변압기를 설명할 수 없으니,
손실과 전압강하 요소를 저항과 리액턴스로 붙여서 나타낸 회로가 등가회로이다.

이 한 문장만 제대로 이해해도 변압기 등가회로는 절반 이상 끝난다.

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마무리

변압기 등가회로는 처음엔 복잡해 보이지만,
실제로는 **“손실과 방해요소를 회로로 표현한 것”**이라는 본질만 알면 정리가 된다.

공부할 때는
무턱대고 회로 모양을 외우기보다

• 무엇이 직렬인지
• 무엇이 병렬인지
• 무엇이 손실인지
• 무엇이 전압강하인지

이 네 가지를 구분하면서 보면 훨씬 오래 기억된다.

변압기 단원은 전기기사에서 매우 중요하므로
등가회로를 제대로 이해하면 효율, 전압변동률, 시험법까지 같이 잡을 수 있다.