전기를 잘 모르는 분들도 이름은 들어보셨을 변압기(Transformer). 전압을 올리거나 내리는 핵심 장치이며, 우리가 쓰는 전력을 효율적으로 전달하는 데 필수적입니다.
하지만 변압기는 실제 운용 과정에서 다양한 이유로 ‘손실’을 냅니다. 크게 무부하손과 부하손으로 나뉘는데, 그중에서도 무부하손을 구성하는 중요한 요소 중 하나가 바로 히스테리시스(Hysteresis) 손실과 와류(Eddy Current) 손실입니다.
이번 글에서는 변압기 손실이 왜 발생하는지, 특히 히스테리시스와 와류라는 용어가 무엇을 의미하는지, 그 어원과 작동 원리를 최대한 쉬운 비유와 함께 자세히 풀어보겠습니다.
1. 변압기 손실, 왜 발생할까?
먼저 큰 그림부터 살펴보겠습니다. 변압기는 교류(AC) 전압을 전달받아 필요한 전압으로 바꿔주는 기기입니다. 이상적으로는 변압기를 통과하는 전력이 전혀 줄지 않고 그대로 전달되어야 합니다(즉, 효율 100%).
하지만 실제 물질(철심, 구리선 등)을 이용해 만들어진 기기이므로, 재료 특성, 자계 변화, 전류 흐름 등으로 인해 열이 발생하고, 그 열로 인하여 전기의 일부가 소모(손실)됩니다.
보통 변압기 손실을 크게 두 가지로 나누는데,
- 무부하손(No-load Loss): 변압기에 전원만 연결되어 있어도(부하 연결 없이) 계속 발생하는 손실
- 부하손(Load Loss): 실제 부하(전기 기기나 설비)가 연결되어 전류가 흐를 때 발생하는 손실
이렇게 나뉩니다. 무부하손에서 특히 많이 언급되는 것이 히스테리시스 손실과 와류 손실이고, 부하손의 대표 격이 **동손(Copper Loss)**입니다.
2. 히스테리시스(Hysteresis) 손실: 철심 내부에서 일어나는 ‘과거의 흔적’
2.1 히스테리시스란?
- 어원과 뜻
- “히스테리시스(Hysteresis)”는 그리스어 **‘ὑστέρησις(hystérēsis)’**에서 유래했으며, 이는 ‘뒤처짐(lagging behind)’ 또는 **‘지연’**을 의미합니다.
- 물리학, 공학, 생물학 등 다양한 분야에서 “현재 상태가 과거 상태의 영향을 받아 완전히 일치하지 않고, 일정한 지연을 보이거나 역으로 되돌아갈 때 다른 경로를 따라가는 현상”을 두고 히스테리시스라는 용어를 씁니다.
2.2 변압기에서의 히스테리시스 손실
- 철심(코어)의 자화와 탈자 과정
변압기의 철심은 일정 주파수(예: 60Hz)의 교류 전압을 계속 받아들입니다. 교류 전압이 입력되면 철심 내부 자석(자성 재료)의 ‘N극-S극 방향’이 끊임없이 바뀌게 되죠.- 이때 철심 재료가 자화되었다가 다시 탈자되는 과정에서, 한 번 자화된 방향이 쉽게 돌아오지 못하고 ‘뒤처지면서’ 에너지를 소모합니다.
- 이 반복 과정에서 일어나는 **마찰(분자·자구 차원에서의 ‘마찰’)**이 곧 히스테리시스 손실을 일으키게 됩니다.
- 열로 변환
철심 내부 분자구조가 자화·탈자 과정에서 소모한 에너지는 최종적으로 열이 되어 변압기 내부에서 소실됩니다. 우리가 ‘손실’이라고 부르는 이유죠.
2.3 왜 중요한가?
- 변압기가 연결된 시간 동안(전력이 공급되는 동안) 끊임없이 발생합니다.
- 고성능 규소강판, 아몰퍼스(Amorphous) 소재 등을 사용해 히스테리시스 손실을 줄이려는 기술 개발이 활발합니다.
3. 와류(Eddy Current) 손실: 물 흐름처럼 소용돌이치며 생기는 전류
3.1 ‘와류’(Eddy)의 어원과 뜻
- **‘Eddy’**는 영어로 “소용돌이”를 뜻합니다. 물이 흐르는 강이나 바다에서 특정 지형이나 장애물이 있으면 물살이 빙글빙글 회전하는 모습을 보신 적 있을 겁니다. 그 소용돌이 현상을 “에디(eddy)”라고 부르죠.
- 한자 와류(渦流) 역시 “소용돌이 와(渦)”와 “흐를 류(流)”를 합친 말로, 흐름이 소용돌이치는 현상을 의미합니다.
3.2 변압기에서의 와류(에디 전류) 손실
- 교류 자속에 의해 생기는 ‘회오리 전류’
- 변압기 철심 안에는 교류 전류로 인한 자속(자기장)이 시시각각 변하고 있습니다.
- 철심이 도체 성질을 띠는 금속(예: 철, 규소강)이다 보니, 변화하는 자기장에 의해 **철심 내부에 작은 순환 전류(회오리 치는 전류)**가 유도됩니다.
- 이 유도 전류를 “와류(에디 전류)”라고 부릅니다.
- 왜 손실이 되나?
- 와류 역시 ‘전류’이므로, 흐르는 경로에 저항이 존재합니다.
- 그 저항으로 인해 열이 발생하고, 결과적으로 변압기 전체 효율을 떨어뜨리는 손실이 됩니다.
3.3 대응 방법
- 철심을 얇은 규소강판 여러 장으로 적층
- 철심을 한 덩어리(두꺼운 금속 블록)로 만들면 와류가 크게 발생합니다.
- 이를 줄이기 위해 ‘적층 코어(얇은 강판을 여러 장 겹침)’를 사용하여, 와류가 흐를 수 있는 면적을 최소화합니다.
- 강판 사이사이에 절연 코팅을 해서 와류를 더 줄이는 효과도 노립니다.
- 재료 개선
- 와류 손실이 적은 소재(고급 규소강판, 아몰퍼스 금속)를 도입하면, 손실 자체를 크게 줄일 수 있습니다.
4. 부하손과 동손(Copper Loss)은 또 무엇일까?
위에서 설명한 히스테리시스 손실과 와류 손실은 주로 무부하손에 해당합니다(부하가 없어도 철심이 전압에 연결만 되어 있으면 발생). 반면에 실제로 전류가 흐르기 시작하면, 변압기 권선(코일)에서 발생하는 **동손(Copper Loss)**이 부하손의 대표로 등장합니다.
- 동손(Copper Loss)
- 권선에 쓰이는 도체(대개 구리·알루미늄 등)에는 저항이 있습니다.
- 전류가 흐르면 “저항 × 전류²”에 비례하는 열이 발생하여 전력이 손실됩니다(= P = I²R).
- 전력이 많이 흐를수록, 즉 부하가 클수록 손실도 더 커집니다.
5. 변압기 손실을 줄이려면?
- 코어 소재 개선
- 히스테리시스 손실과 와류 손실 모두 코어 소재 및 구조에 크게 좌우됩니다.
- 규소 함량을 높인 고급 규소강판이나 아몰퍼스 코어 같은 소재를 사용하면 손실을 크게 줄일 수 있습니다.
- 코어 구조 최적화
- 얇은 판을 여러 장 적층해 와류를 줄이고, 자화·탈자 과정에서 발생하는 히스테리시스 손실을 최소화하도록 설계합니다.
- 권선(코일) 최적화
- 효율적인 굵기, 재질, 냉각 방식을 적용해 동손을 낮춥니다.
- 권선 배치를 최적화해 누설 자속에 의한 손실도 줄일 수 있습니다.
- 적정 용량 사용
- 변압기를 너무 과부하(혹은 심한 경부하)로 운전하지 않도록, 실제 전력 수요에 맞춰 용량을 선정합니다.
6. 정리: 철심과 전류가 빚어내는 필연적 손실
- 히스테리시스(Hysteresis)
- 그리스어로 ‘뒤처짐, 지연’을 뜻하는 말에서 유래
- 교류 자속에 의해 반복 자화·탈자되는 과정에서 자성 재료의 분자구조가 ‘뒤처지며’ 발생하는 에너지 소모
- 변압기에 전압만 공급되어도 사라지지 않는, 무부하손의 대표적 요인
- 와류(Eddy Current)
- 영어 ‘Eddy(소용돌이)’ + 한자 ‘渦流(소용돌이 흐름)’
- 금속성 철심 내부에 흐르는 ‘회오리치는 전류’
- 자기장 변화 → 철심 내부에 유도 전류 발생 → 저항에 의해 열로 소모
- 강판 적층 및 절연 등으로 줄이는 것이 핵심
- 동손(Copper Loss)
- 권선의 저항 때문에 발생하는 손실 (P = I²R)
- 실제 부하를 통해 전류가 흐를 때 커지는 대표적 부하손
결국 변압기는 철심(코어)와 권선(코일)이라는 물리적 한계를 갖고 있기 때문에, 손실이 ‘0’이 될 수는 없습니다. 하지만 소재와 설계 기술 발전으로 이 손실을 꾸준히 줄여오고 있고, 앞으로도 더 혁신적인 기술들이 등장할 것으로 기대됩니다.
손실을 최소화하는 것은 전력 효율과 경제성은 물론, 지구 환경을 위해서도 중요한 과제이기 때문이죠.
마무리하며
변압기는 우리 일상의 전기를 안정적이고 효율적으로 전달해 주는 **‘든든한 숨은 조력자’**입니다. 그 과정에서 발생하는 손실도 자연스러운 현상이지만, 이를 어떻게 줄이고 관리하느냐에 따라 전기요금, 환경 영향, 장비 수명 등이 크게 달라집니다.
앞으로 변압기에 대해 궁금한 점이 생긴다면, 언제든지 댓글로 질문 남겨주세요. 더욱 다양한 예시와 함께 친절하고 쉽게 답변해 드리겠습니다!