[전기기능사 필기 4편] 비전공자도 단기합격! 2과목 전기기기 핵심 기출문제: 변압기 완벽 정리

전기기능사 변압기 핵심 요약

안녕하세요. 티스토리 블로그를 통해 여러분의 전기기능사 합격을 돕고 있는 전기 달인입니다.

 '전기기능사 필기 17부작 시리즈'의 네 번째 시간입니다. 오늘부터는 1과목 전기이론을 무사히 마치고, 2과목 '전기기기' 파트로 진입합니다. 전기기기 과목은 우리가 실제 산업 현장이나 발전소에서 사용하는 거대한 기계들의 구조와 원리를 다루는 과목입니다.

그중에서도 첫 번째로 다룰 주제는 바로 '변압기(Transformer)'입니다. 변압기는 발전소에서 만들어진 전압을 우리가 가정에서 사용할 수 있도록 높이거나 낮추어 주는 핵심 기기이며, 전기기능사 시험에서 단일 기기로는 가장 많은 출제 비중을 차지합니다. 계산 문제와 암기 문제가 골고루 출제되므로, 오늘 엄선한 3개의 기출문제와 상세한 해설을 정독하시어 완벽하게 개념을 내 것으로 만드시기 바랍니다.

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1. 변압기의 원리와 권수비 (전압과 전류의 마법)

변압기는 교류 전압을 높이거나 낮추는 기기입니다. 철심 양쪽에 코일을 감아두고 1차 측에 교류 전압을 가하면, '전자 유도 작용'에 의해 2차 측 코일에 새로운 전압이 유도됩니다. 이때 코일을 감은 횟수의 비율을 '권수비'라고 부르며, 이 권수비 공식은 매회 시험에 출제되는 0순위 공식입니다.

• 변압기의 원리: 전자 유도 작용 (패러데이-렌츠의 법칙)
• 권수비 공식 (a): a = N₁ / N₂ = V₁ / V₂ = E₁ / E₂ = I₂ / I₁ = √(Z₁ / Z₂) = √(R₁ / R₂)
• 암기 포인트: 권수비는 1차 값을 2차 값으로 나눈 것입니다. 단, '전류(I)'만 반대로 2차 값을 1차 값으로 나눈다는 점을 절대 잊지 마십시오. 전압이 높아지면 전류는 낮아져야 에너지가 보존되기 때문입니다.

[엄선 기출문제 1] Q. 변압기의 1차에 6,000[V]를 가할 때 2차 전압이 200[V]라면 이 변압기의 권수비는 몇인가?

1번: 3

2번: 20

3번: 30

4번: 200

정답: 3번 (30) 상세 해설: 아주 전형적이고 기초적인 권수비 계산 문제입니다. 권수비(a)는 1차 전압(V₁)을 2차 전압(V₂)으로 나눈 값입니다. 공식 a = V₁ / V₂ 에 문제에서 주어진 값을 그대로 대입합니다. 6,000 / 200 을 계산하면 깔끔하게 30이 도출됩니다. 만약 문제에서 전류의 비율을 물어보았다면 역수로 계산해야 함을 다시 한번 상기하시기 바랍니다.

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2. 변압기 절연유의 구비 조건 (기름이 갖추어야 할 성질)

대형 변압기 내부에는 코일에서 발생하는 뜨거운 열을 식히고 절연 성능을 유지하기 위해 '절연유'라는 특수한 기름을 채워 넣습니다. 시험에서는 이 절연유가 갖추어야 할 물리적, 화학적 조건을 묻는 문제가 단골로 출제됩니다.

• 절연 내력이 클 것: 전기가 새어나가지 않도록 막아주는 힘이 강력해야 합니다.
• 인화점이 높을 것: 기름이므로 화재의 위험이 있습니다. 불이 붙는 온도인 인화점이 매우 높아야 안전합니다.
• 응고점이 낮을 것: 겨울철 야외에서도 기름이 얼어붙지 않아야 하므로, 어는 온도인 응고점은 매우 낮아야 합니다.
• 점도가 낮을 것: 끈적거림(점도)이 적고 묽어야 대류 작용이 활발해져 냉각 효과가 극대화됩니다.

[엄선 기출문제 2] Q. 변압기유가 구비해야 할 조건으로 틀린 것은?

1번: 절연 내력이 높을 것

2번: 응고점이 높을 것

3번: 고온에도 산화되지 않을 것

4번: 냉각 효과가 클 것

정답: 2번 (응고점이 높을 것) 상세 해설: 변압기유는 한겨울 혹한의 날씨에도 얼지 않고 액체 상태를 유지하며 냉각수 역할을 해야 합니다. 따라서 얼어붙는 온도인 응고점은 영하 밑으로 최대한 낮아야 정상적인 작동이 가능합니다. 인화점은 높게, 응고점과 점도는 낮게 유지해야 한다는 핵심 키워드를 반드시 암기해 두십시오.

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3. 변압기의 손실과 효율 (철손과 동손의 구분)

변압기가 전압을 변환하는 과정에서는 필연적으로 에너지의 손실이 발생합니다. 변압기의 손실은 크게 부하의 유무와 관계없이 항상 발생하는 '무부하손'과, 부하가 걸려 전류가 흐를 때만 발생하는 '부하손'으로 나뉩니다.

• 무부하손 (철손, Pi): 2차 측을 개방(무부하)하고 측정합니다. 철심에서 발생하는 손실로, 히스테리시스손과 와류손(맴돌이 전류손)이 여기에 속합니다. 변압기 코드를 꽂아두기만 해도 발생하는 고정적인 손실입니다.
• 부하손 (동손, Pc): 2차 측을 단락 시키고 측정합니다. 코일(구리선)의 자체 저항에 의해 발생하는 손실입니다. 부하 전류의 제곱에 비례하여 커집니다.
• 효율이 최대가 되는 조건: 고정손인 철손과 가변손인 동손의 크기가 같아질 때 변압기의 효율은 최대가 됩니다.

[엄선 기출문제 3] Q. 변압기의 무부하 시험, 단락 시험에서 구할 수 없는 것은?

1번: 동손

2번: 철손

3번: 절연내력

4번: 전압 변동률

정답: 3번 (절연내력) 상세 해설: 변압기의 무부하 시험(개방 시험)을 통해서는 무부하손인 철손, 여자 전류, 여자 어드미턴스를 구할 수 있습니다. 반면 단락 시험을 통해서는 임피던스 전압, 임피던스 와트(동손), 전압 변동률을 구할 수 있습니다. 절연내력은 절연 저항계(메거)나 절연 내압 시험기를 통해 별도로 측정해야 하는 항목이므로, 등가 회로 작성을 위한 개방 및 단락 시험으로는 구할 수 없습니다.

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1분 마무리 요약 노트

1. 권수비 공식: a = N₁ / N₂ = V₁ / V₂ 이며, 전류의 경우에만 a = I₂ / I₁ 으로 역수가 적용된다는 것을 잊지 마십시오.
2. 변압기유의 조건: 안전과 성능을 위해 절연 내력과 인화점은 커야 하고, 응고점과 점도는 작아야 합니다.
3. 변압기의 시험: 무부하 시험으로는 철손을 구하고, 단락 시험으로는 동손과 전압 변동률을 구합니다. 철손과 동손이 같을 때 최대 효율이 나옵니다.

오늘 다룬 변압기의 3가지 개념은 2과목 전기기기의 핵심 토대입니다. 권수비 공식을 백지에 직접 적어보며 수식에 익숙해지는 시간을 가져보시길 권장합니다.

 

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