변압기 손실 설명: 무부하 손실 vs. 부하 손실

변압기 작동 중 발생하는 에너지 손실은 무부하 손실과 부하 손실 두 가지 주요 형태입니다. 다음은 변압기 내부에서 이러한 손실이 어떻게 발생하고, 분산되고, 소산되는지에 대한 자세한 설명입니다.

무부하 손실은 변압기의 1차 권선에 무부하 상태에서 작은 여자 전류만 흐를 때 발생합니다. 이때 동손은 무시할 수 있으며, 손실의 대부분은 철손이라고 하는 코어에서 발생합니다. 철손은 히스테리시스 손실과 와전류 손실로 구성됩니다. 히스테리시스 손실은 교류 자기장의 영향으로 코어 내부의 자기 도메인이 지속적으로 뒤집히면서 에너지를 소모하고 열을 발생시키는 현상입니다. 와전류 손실은 코어 자체가 전도성을 띠기 때문에 발생합니다. 변화하는 자기장에 노출되면 자기장 선에 수직인 평면에 기전력이 유도되어 닫힌 루프를 형성하고, 이 루프에서 전류(와전류)가 발생합니다. 이 와전류는 코어 재료의 저항으로 인해 열을 발생시킵니다.

무부하 손실은 주로 코어에 집중됩니다. 코어는 자기 회로의 주요 구성 요소이며, 히스테리시스 손실과 와전류 손실 모두 코어 재질 내부에서 발생하기 때문입니다. 또한, 무부하 전류로 인해 1차 권선에서 소량의 동손이 발생하지만, 이는 일반적으로 무시할 수 있을 정도로 작습니다. 무부하 손실로 발생한 열은 주로 코어에서 주변 환경으로의 열전도 및 복사를 통해 방출됩니다. 코어는 변압기 오일이나 공기와 접촉하고 있으며, 열을 오일이나 공기로 전달합니다. 이 열은 오일이나 공기 흐름의 자연 대류를 통해 전달되어 최종적으로 주변 환경으로 방출됩니다.

부하 손실은 기본 동손과 추가 손실을 포함합니다. 기본 동손은 부하 전류가 권선을 통과할 때 권선의 저항으로 인해 발생하는 손실입니다. 줄의 법칙에 따르면 전류가 도체를 통과할 때 열이 발생하며, 전력 손실은 전류의 제곱에 비례합니다. 추가 손실에는 권선의 와전류 손실, 순환 전류 손실, 구조 부재의 표류 손실 등이 있으며, 이러한 손실은 전류의 제곱과 주파수의 제곱에 비례합니다.

부하 손실은 주로 권선과 코어에서 발생합니다. 권선에 흐르는 부하 전류는 동손을 발생시키고, 코어 또한 부하 전류로 인한 누설 자속으로 인해 손실을 입지만, 이는 권선의 동손에 비해 상대적으로 작습니다. 또한, 부하 전류에 의해 유도되는 누설 자속은 권선 외부의 금속 구조 부품에서 표류 손실을 발생시킵니다.

부하 손실로 발생하는 열은 권선에서 변압기 오일로 열전도를 통해 부분적으로 전달된 후 자연 대류 또는 오일의 강제 순환에 의해 방출됩니다. 나머지 부분은 코어 및 구조 부품에서 열전도 및 복사를 통해 주변 환경으로 발산됩니다. 대형 변압기에서는 열 방출을 향상시켜 변압기의 작동 효율과 신뢰성을 높이기 위해 강제 오일 순환 냉각 또는 이와 유사한 방식이 자주 사용됩니다.