전기기기의 철손과 동손은 무엇이 다른가? 발생 원리와 부하에 따른 변화를 이해하기

전동기나 변압기에 전력을 공급하면 입력된 에너지가 모두 출력으로 전달되는 것은 아니다. 일부 에너지는 기기 내부에서 열이나 기계적인 손실로 사라진다.

이러한 손실 가운데 전기기기를 공부할 때 가장 먼저 접하게 되는 것이 철손과 동손이다.

철손은 철심에서 발생하는 손실이고 동손은 권선에서 발생하는 손실이라고 설명할 수 있다. 틀린 설명은 아니지만 이것만 외워서는 실제 전기기기에서 손실이 어떻게 변하는지 이해하기 어렵다.

예를 들어 변압기에 부하를 연결하지 않았는데도 전력을 소비하는 이유는 무엇일까?

반대로 부하전류가 커지면 변압기와 전동기의 온도가 빠르게 상승하는 이유는 무엇일까?

이러한 현상을 이해하려면 철손과 동손이 어디에서 발생하는지뿐만 아니라 무엇 때문에 발생하며 운전조건에 따라 어떻게 변하는지를 함께 살펴봐야 한다.

전기기기에서 손실이 발생하는 이유

이상적인 전기기기라면 입력된 에너지가 손실 없이 모두 출력으로 변환되어야 한다.

하지만 실제 전기기기에는 권선의 저항이 존재하고 철심에서도 에너지 손실이 발생한다. 회전기에서는 베어링의 마찰이나 냉각팬, 공기저항에 의한 손실도 존재한다.

따라서 에너지 관계를 단순하게 표현하면

입력 = 출력 + 손실

이라고 할 수 있다.

전동기의 경우에는

전기적 입력 → 전자기적 에너지 변환 → 기계적 출력

과정을 거치며 중간에 여러 손실이 발생한다.

변압기의 경우에는 회전부가 없기 때문에 기계손은 없지만 권선의 동손과 철심의 철손 등이 발생한다.

이러한 손실은 대부분 최종적으로 열로 변한다.

그래서 전기기기의 손실은 단순히 효율 문제에 그치지 않고 기기의 온도상승과 절연수명에도 직접적인 영향을 준다.

철손이란 무엇인가?

철손(Iron Loss 또는 Core Loss)은 전기기기의 철심에서 발생하는 대표적인 전력손실이다.

철손은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

히스테리시스손(Hysteresis Loss)

와전류손(Eddy Current Loss)

두 손실은 모두 변화하는 자기장과 관련되어 있지만 발생하는 물리적인 원리는 서로 다르다.

따라서 철손을 제대로 이해하려면 두 손실을 각각 살펴볼 필요가 있다.

히스테리시스손은 왜 발생할까?

변압기나 교류전동기의 철심은 일정한 방향으로만 자화되는 것이 아니다.

교류전원이 공급되면 자속의 크기와 방향이 시간에 따라 계속 변한다.

예를 들어 60Hz 교류에서는 자기장의 상태가 매우 빠르게 반복적으로 변화한다.

철심 내부의 자성체 역시 이 변화에 따라 반복적으로 자화된다.

하지만 자성체 내부의 자화상태는 외부에서 가해지는 자계 H의 변화를 완벽하게 그대로 따라가지 않는다.

자계를 증가시켰다가 다시 감소시켜도 자속밀도 B가 처음의 경로를 그대로 되돌아오지 않는다.

이 현상을 히스테리시스(Hysteresis)라고 한다.

B와 H의 관계를 그래프로 나타내면 하나의 폐곡선이 만들어지는데 이것을 B-H 히스테리시스 루프라고 한다.

이 루프가 중요한 이유는 단순히 자성체의 특성을 보여주기 때문만은 아니다.

히스테리시스 루프의 면적은 자성체가 한 번의 자화주기를 거치는 동안 단위 체적에서 소모되는 에너지와 관련이 있다.

따라서 루프의 면적이 큰 재료일수록 반복적으로 자화할 때 더 많은 에너지를 소비하게 된다.

그 에너지는 결국 열로 변한다.

이것이 히스테리시스손이다.

히스테리시스손과 주파수의 관계

히스테리시스손은 자화와 탈자가 반복될 때 발생한다.

따라서 같은 조건이라면 1초 동안 자화가 더 많이 반복될수록 손실도 증가한다.

히스테리시스손의 경향을 나타낼 때 흔히 다음과 같은 경험적인 관계를 사용한다.

Ph = Kh f Bmⁿ

여기서

Ph는 히스테리시스손,

Kh는 철심 재료와 관련된 계수,

f는 주파수,

Bm은 최대 자속밀도,

n은 재료에 따라 달라지는 지수다.

이 식에서 중요한 것은 정확한 계수를 외우는 것보다 히스테리시스손이 주파수와 최대 자속밀도의 영향을 받는다는 사실이다.

특히 철심을 지나치게 높은 자속밀도로 사용하면 철손 증가뿐 아니라 자기포화 문제까지 함께 나타날 수 있다.

와전류손은 왜 발생할까?

와전류손은 히스테리시스손과 발생 원리가 다르다.

변화하는 자속이 전기가 통하는 철심을 통과하면 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 철심 내부에도 유도기전력이 발생한다.

철심은 도체이므로 이 유도기전력에 의해 철심 내부에 폐회로 형태의 전류가 흐를 수 있다.

이것이 와전류다.

와전류가 흐르면 철심의 전기저항 때문에

P = I²R

형태의 열손실이 발생한다.

이 손실이 바로 와전류손이다.

앞선 글에서 철심을 얇은 전기강판으로 적층하는 이유를 살펴봤던 것도 바로 이 와전류의 경로를 제한하기 위해서였다.

와전류손은 무엇에 영향을 받을까?

단순화된 조건에서 와전류손은 대략 다음과 같은 경향을 가진다.

Pe ∝ Bm² f² t² / ρ

여기서

Pe는 와전류손,

Bm은 최대 자속밀도,

f는 주파수,

t는 철심 강판의 두께,

ρ는 재료의 고유저항이다.

이 관계를 보면 몇 가지 중요한 특징을 알 수 있다.

주파수가 증가하면 와전류손이 증가한다.

자속밀도가 증가해도 와전류손이 증가한다.

철심 강판이 두꺼워질수록 와전류손이 증가한다.

반대로 재료의 고유저항이 높아지면 와전류를 억제하는 데 유리하다.

그래서 전기기기의 철심에는 일반 구조용 철이 아니라 손실을 줄이기 위한 전기강판이 사용되고, 강판을 얇게 만들어 절연한 뒤 여러 장 적층한다.

철손은 왜 무부하 상태에서도 발생할까?

여기까지 이해하면 한 가지 중요한 질문에 답할 수 있다.

변압기의 2차측에 아무런 부하가 연결되어 있지 않은데 왜 전력을 소비할까?

2차측이 개방되어 있어도 1차측에 정격 교류전압이 인가되어 있다면 철심에는 교번자속이 형성된다.

자속이 계속 변화하고 있기 때문에 철심은 반복적으로 자화된다.

따라서 히스테리시스손이 발생한다.

동시에 변화하는 자속이 철심을 통과하므로 철심 내부에 와전류도 발생한다.

즉 부하가 없어도 철손은 존재한다.

그래서 변압기를 무부하 상태로 두더라도 입력전력이 완전히 0이 되지는 않는다.

이 특성은 나중에 배우는 변압기의 무부하시험과도 직접 연결된다.

동손이란 무엇인가?

이번에는 동손(Copper Loss)을 살펴보자.

전동기나 변압기의 권선에는 구리와 같은 도체가 사용된다.

구리는 전기전도성이 매우 높은 재료지만 저항이 완전히 0인 것은 아니다.

따라서 권선에 전류가 흐르면 저항에 의해 열이 발생한다.

동손은 기본적으로

Pcu = I²R

로 나타낼 수 있다.

여기서

Pcu는 동손,

I는 권선에 흐르는 전류,

R은 권선의 저항이다.

이 식은 전기기기의 손실을 이해하는 데 매우 중요하다.

왜냐하면 동손은 전류의 제곱에 비례하기 때문이다.

부하전류가 두 배가 되면 동손은 얼마나 증가할까?

권선저항이 일정하다고 가정해보자.

처음 전류가 I일 때 동손은

Pcu = I²R

이다.

전류가 2I가 되면

Pcu = (2I)²R

이므로

Pcu = 4I²R

이 된다.

즉 전류가 두 배가 되면 동손은 네 배가 된다.

전류가 1.5배라면 동손은

1.5² = 2.25

배가 된다.

이 때문에 전기기기의 과부하는 단순히 전류가 조금 증가하는 문제로 보면 안 된다.

전류 증가율보다 권선에서 발생하는 열손실 증가율이 훨씬 클 수 있기 때문이다.

동손은 왜 부하에 따라 달라질까?

변압기를 예로 들어보자.

무부하 상태에서는 2차측 전류가 거의 흐르지 않는다.

하지만 부하를 연결하면 2차측에 전류가 흐르고, 이에 대응하여 1차측에서도 부하전류 성분이 증가한다.

권선에 흐르는 전류가 증가하므로 I²R 동손도 증가한다.

따라서 동손은 일반적으로 부하에 따라 변화하는 손실로 취급한다.

부하율을 x라고 하고 정격부하에서의 동손을 Pcu,rated라고 하면, 권선저항을 일정하다고 가정할 때 특정 부하에서의 동손은 대략

Pcu = x²Pcu,rated

로 생각할 수 있다.

예를 들어 50% 부하라면

Pcu = 0.5²Pcu,rated

이므로 정격부하 동손의 약 25%가 된다.

반대로 과부하 운전에서는 동손이 빠르게 증가한다.

철손은 고정손이고 동손은 가변손일까?

전기기기 이론에서는 철손을 고정손, 동손을 가변손으로 분류하는 경우가 많다.

왜 그런지 원리를 생각해보자.

변압기의 경우 전원전압과 주파수가 일정하게 유지되면 철심의 최대자속도 대체로 일정하게 유지된다.

따라서 부하가 변하더라도 철손은 비교적 큰 변화가 없다.

이 때문에 실용적인 계산에서는 철손을 일정한 손실로 간주하는 경우가 많다.

반면 동손은

Pcu = I²R

이므로 부하전류가 변하면 크게 달라진다.

그래서 동손은 대표적인 가변손으로 취급한다.

다만 실제 기기에서는 온도에 따라 권선저항이 변하고, 부하에 따라 자속분포나 추가적인 손실이 달라질 수 있다.

따라서 철손은 항상 정확하게 일정하고 동손은 오직 I²R만 존재한다고 지나치게 단순화해서 이해해서는 안 된다.

고정손과 가변손이라는 구분은 전기기기의 특성을 분석하기 위한 유용한 근사라고 이해하는 것이 적절하다.

권선이 뜨거워지면 동손도 달라질까?

동손 식에서 또 하나 주목할 부분은 R이다.

Pcu = I²R

전류뿐 아니라 권선저항 역시 동손을 결정한다.

구리의 저항은 온도가 올라가면 증가한다.

따라서 권선이 뜨거워지면 동일한 전류가 흐르더라도 차가운 상태보다 동손이 커질 수 있다.

구리 권선의 저항은 일정한 온도범위에서 대략

R₂ = R₁[1 + α(T₂ – T₁)]

형태로 나타낼 수 있다.

여기서 α는 저항의 온도계수다.

즉 전기기기의 발열은 단순히 손실의 결과로만 끝나는 것이 아니다.

동손 발생 → 권선온도 상승 → 권선저항 증가 → 같은 전류에서 동손 증가

라는 관계도 존재한다.

물론 실제 운전에서는 냉각과 열평형이 함께 작용하기 때문에 온도가 끝없이 상승하는 것은 아니다.

하지만 냉각능력을 넘어서는 과부하가 지속되면 위험한 온도까지 올라갈 수 있다.

손실과 온도상승은 왜 중요한가?

전기기기에서 온도가 중요한 가장 큰 이유 중 하나는 절연재료 때문이다.

전동기와 변압기의 권선은 도체끼리 서로 접촉하여 단락되지 않도록 절연되어 있다.

철심과 권선 사이에도 적절한 절연이 필요하다.

이러한 절연재료는 온도의 영향을 받는다.

지속적으로 높은 온도에 노출되면 절연재료의 열화가 빨라질 수 있고 장기간 누적되면 절연성능이 저하될 수 있다.

결국 권선의 층간단락이나 지락, 절연파괴 등의 고장으로 이어질 가능성이 높아진다.

따라서 전기기기의 정격은 단순히 ‘이 정도 출력까지 낼 수 있다’는 의미만 갖는 것이 아니다.

손실로 인해 발생하는 열을 냉각하면서 허용 가능한 온도범위 안에서 운전할 수 있는지가 중요한 설계조건이 된다.

회전기에는 철손과 동손만 있는 것이 아니다

전동기와 발전기 같은 회전기에서는 철손과 동손 외에도 다른 손실이 존재한다.

대표적으로 기계손(Mechanical Loss)이 있다.

회전축을 지지하는 베어링에서는 마찰이 발생하고, 회전자가 공기 중에서 회전하면서 풍손이 발생한다.

냉각팬을 회전시키는 데에도 에너지가 필요하다.

또한 실제 전기기기에서는 이상적인 계산만으로 설명되지 않는 추가적인 손실이 발생하며 이를 부하표유손 또는 표유부하손(Stray Load Loss) 등의 형태로 다루기도 한다.

따라서 실제 회전기의 총손실은 단순하게 철손과 동손만 더한 값보다 복잡하다.

그러나 철손과 동손은 전기기기의 기본적인 손실구조를 이해하기 위한 출발점이다.

철손과 동손을 한눈에 비교하면

철손과 동손의 차이를 정리하면 다음과 같다.

철손

발생 위치: 주로 철심

주요 원인: 교번자속

구성: 히스테리시스손 + 와전류손

영향 요소: 주파수, 자속밀도, 철심 재료, 강판 두께 등

부하와의 관계: 전압과 주파수가 일정한 조건에서는 비교적 일정

대표적인 분류: 고정손으로 취급

동손

발생 위치: 권선

주요 원인: 권선의 전기저항

기본 관계: Pcu = I²R

영향 요소: 전류, 권선저항, 권선온도

부하와의 관계: 부하전류에 따라 크게 변화

대표적인 분류: 가변손

중요한 것은 이 내용을 표처럼 암기하는 것이 아니라 왜 이러한 차이가 생기는지를 이해하는 것이다.

손실은 전기기기의 효율과 어떻게 연결될까?

전기기기의 효율 η는 기본적으로

η = 출력 / 입력 × 100%

으로 나타낼 수 있다.

입력은 출력과 손실의 합이므로

η = 출력 / (출력 + 손실) × 100%

으로도 생각할 수 있다.

손실이 증가하면 같은 출력을 얻기 위해 더 많은 입력에너지가 필요하고 효율은 떨어진다.

그런데 철손과 동손은 부하에 따라 변화하는 방식이 서로 다르다.

무부하에 가까운 상태에서도 철손은 존재하지만 출력은 매우 작다.

부하가 증가하면 출력이 증가하면서 효율이 좋아지는 구간이 나타난다.

하지만 부하가 계속 증가하면 I²R에 따라 동손이 빠르게 증가한다.

따라서 전기기기의 효율은 모든 부하에서 동일하지 않으며 특정 부하영역에서 가장 높은 값을 갖게 된다.

이 특성은 변압기의 최대효율 조건을 이해하는 데 중요한 단서가 된다.

변압기의 최대효율과 철손·동손의 관계

변압기에서는 일정한 전압과 주파수에서 철손을 거의 일정한 손실로 보고, 동손은 부하전류의 제곱에 따라 변하는 손실로 본다.

부하가 작을 때는 동손이 작기 때문에 철손의 비중이 상대적으로 크다.

부하가 증가하면 출력이 증가하면서 효율이 상승한다.

하지만 부하가 더 증가하면 동손이 빠르게 증가하면서 어느 지점부터 효율 증가가 멈추게 된다.

일반적인 변압기의 최대효율 조건은

철손 = 동손

이 되는 부근에서 나타난다.

이 조건은 단순히 외워야 하는 공식이 아니다.

고정적으로 존재하는 철손과 부하에 따라 증가하는 동손의 균형점에서 효율이 최대가 되는 것이다.

따라서 철손과 동손의 성질을 이해하면 최대효율 조건 역시 자연스럽게 이해할 수 있다.

전기기기의 손실을 에너지 흐름으로 이해하기

전기기기의 손실을 각각의 용어로만 외우면 내용이 복잡해진다.

에너지의 흐름으로 생각하면 훨씬 명확해진다.

전기에너지가 기기에 들어온다.

→ 권선에 전류가 흐른다.

→ 권선저항 때문에 동손이 발생한다.

→ 자기장이 형성된다.

→ 철심이 반복적으로 자화된다.

→ 히스테리시스손이 발생한다.

→ 변화하는 자속이 철심 내부에 와전류를 만든다.

→ 와전류손이 발생한다.

→ 회전기에서는 축과 베어링 등이 움직인다.

→ 마찰손과 풍손이 발생한다.

→ 남은 에너지가 유효한 출력으로 전달된다.

결국 전기기기의 효율을 높인다는 것은 에너지 변환 과정에서 원하지 않는 경로로 빠져나가는 에너지를 줄이는 것이라고 볼 수 있다.

마무리

철손과 동손은 모두 전기기기의 효율을 떨어뜨리고 발열을 발생시키지만 그 원리는 서로 다르다.

철손은 변화하는 자기장 때문에 철심에서 발생하며 히스테리시스손과 와전류손으로 구성된다.

반면 동손은 권선에 전류가 흐를 때 도체의 저항 때문에 발생하며 기본적으로 I²R의 관계를 가진다.

이 차이 때문에 전압과 주파수가 일정한 조건에서 철손은 비교적 일정한 고정손으로 취급하고, 동손은 부하에 따라 달라지는 가변손으로 취급한다.

특히 동손은 전류의 제곱에 비례하기 때문에 과부하 상태에서 빠르게 증가할 수 있다. 따라서 전기기기의 부하관리와 온도관리는 서로 밀접하게 연결되어 있다.

철손과 동손을 이해했다면 이제 전기기기에서 자속과 전류가 어떻게 실제 힘과 전압으로 바뀌는지를 살펴볼 차례다.

다음 글에서는 전자기 유도와 플레밍 법칙을 중심으로 발전기에서는 어떻게 전압이 만들어지고 전동기에서는 어떻게 힘이 발생하는지, 두 현상의 차이를 전기기기의 실제 동작과 연결해서 자세히 살펴본다.