변압기에서 전압을 올리거나 낮출 수 있는 원리는 무엇인가요?

Question

전기기사 공부를 하다 보면 변압기는 교류 전압을 높이거나 낮추는 장치라고 배우는데, 실제로 어떻게 전압이 바뀌는지 궁금합니다. 1차 권선과 2차 권선의 감은 수에 따라 전압이 달라진다고 하는데, 단순히 코일을 많이 감으면 왜 전압이 높아지는지 이해가 잘 되지 않습니다. 또한 변압기는 직류에서는 사용할 수 없고 교류에서만 동작한다고 하는데 그 이유도 궁금합니다. 전자기유도와 자속 변화가 변압기 동작과 어떻게 연결되는지, 그리고 실제 송배전 설비에서 왜 변압기가 꼭 필요한지도 자세히 알고 싶습니다.

Answer 1

안녕하세요. 최정훈 전기기사입니다.

변압기는 전자기유도 법칙에 따라 1차측 코일의 교류가 자속을 변화시켜 2차측에 전압을 유도해요. 또, 권수비에 비례해 전압이 결정되요. 직류는 자속 변화가 없어 동작하지 않기 때문에 교류에서만 쓰입니다. 그리고 송전 손실을 줄이려 전압을 높이는 거죠.

Answer 2

안녕하세요. 최광민 전기기사입니다.

결론부터 말씀드리면 변압기는 1차 권선에 교류 전압을 가해 철심에 변화하는 자속을 만들고, 이 자속이 2차 권선에 전압을 유도하는 전자기유도 원리로 동작합니다. 1차 권선에 교류가 흐르면 전류의 크기와 방향이 계속 바뀌기 때문에 철심 안의 자속도 계속 변합니다. 이 변화하는 자속이 2차 권선과 쇄교하면 패러데이의 전자유도 법칙에 의해 2차 권선에 유도기전력이 발생합니다. 이때 유도되는 전압은 권선의 감은 수에 비례하므로 2차 권선의 감은 수가 1차보다 많으면 승압이 되고, 적으면 강압이 됩니다. 예를 들어 1차 권선이 100회, 2차 권선이 200회라면 이상적인 경우 2차 전압은 1차 전압의 2배가 됩니다. 반대로 2차 권선이 50회라면 전압은 절반으로 낮아집니다. 변압기가 직류에서 동작하지 않는 이유는 직류는 시간이 지나면 전류와 자속이 일정해져 더 이상 자속 변화가 없기 때문입니다. 자속이 변하지 않으면 2차 권선에 전압이 유도되지 않습니다. 처음 전원을 넣는 순간에는 잠깐 변화가 있지만, 정상 상태에서는 유도작용이 지속되지 않습니다. 전력계통에서 변압기가 중요한 이유는 송전 효율과 안전성 때문입니다. 발전소에서 생산한 전기를 먼 거리로 보낼 때 전압을 높이면 같은 전력을 더 작은 전류로 보낼 수 있고, 전류가 줄어들면 송전선 손실도 크게 줄어듭니다. 이후 수용가 근처에서는 다시 낮은 전압으로 강압해 안전하게 사용할 수 있습니다. 따라서 변압기는 단순히 전압을 바꾸는 장치가 아니라 발전소에서 가정과 공장까지 전기를 효율적으로 전달하게 해주는 핵심 설비입니다.