변압기의 최대 효율 조건에 대해 설명해주시면 감사드립니다.

Question

전기기사에 나오는 문제중에 변압기에서 고정손인 철손이랑 부하에 따라 변하는 가변손인 동손이랑 같아지는 지점에서 효율이 최대가 되는 원리을 상세히 알려주시면 감사드리겠습니다.

Answer 1

안녕하세요. 서수용 전기기사입니다.

변압기의 최대 효율 조건에 대해서 설명해드리겠습니다.

변압기의 최대효율 조건이란 변압기가 일정한 부하에서 운전될 때 효율이 가장 크게 되는 상태를 의미합니다. 변압기의 효율은 출력과 손실의 관계에 의해 결정되며, 손실의 크기와 성질을 이해하는 것이 최대효율 조건을 설명하는 핵심입니다. 변압기에서 발생하는 손실은 크게 철손과 동손으로 나뉩니다. 철손은 철심의 히스테리시스 손실과 와류 손실로 구성되며, 1차 전압이 인가되어 있는 한 부하의 크기와 관계없이 거의 일정하게 발생합니다. 반면 동손은 권선에 흐르는 전류에 의해 발생하는 손실로, 부하 전류의 제곱에 비례하여 증가합니다.

부하가 작을 때에는 동손이 작고 철손이 상대적으로 크게 작용하여 효율이 낮습니다. 반대로 부하가 커질수록 출력은 증가하지만 동손이 급격히 증가하여 다시 효율이 저하됩니다. 따라서 어느 한 지점에서 철손과 동손의 크기가 적절히 균형을 이루는 부하 조건이 존재하며, 이때 변압기의 효율이 최대가 됩니다.

즉, 변압기의 최대효율 조건은 동손과 철손이 서로 같아질 때입니다. 다시 말해, 부하에 의해 발생하는 동손이 무부하 상태에서 발생하는 철손과 동일한 값이 되는 부하에서 변압기는 최대 효율로 운전됩니다.

이 조건은 변압기의 설계 및 운전에서 중요한 기준이 되며, 실제 운전에서는 변압기가 자주 사용하는 부하 영역이 최대효율점 근처가 되도록 설계하는 것이 바람직합니다.

Answer 2

안녕하세요. 최정훈 전기기사입니다.

변압기 효율은 출력에 대비해서, 손실 비중이 가장 낮을때 높아집니다. 이 말은 수학적으로 미분하면 철손과 동손이 일치하는 지점에서 최소값이 나오는거죠. 전압이 일정한 상태에서 철손은 항상 고정되어 있습니다. 그리고 동손은 부하 전류의 제곱에 비례해서 늘어나는 가변적인 성질을 가지고 있습니다. 그래서 초기에는 부하가 늘수록 효율이 좋아지다가, 동손이 철손보다 더 커져버리는 순간부터 오히려 효율이 다시 떨어지게 됩니다. 결론은 두개 손실의 크기가 딱 맞물리는 교차점에서 변압기는 에너지를 가장 효율적으로 전달할 수 있는 상태가 됩나다. 감사합니다.