전기기능사 변압기 시험, 권수비·전압비 계산 유형 3가지를 어떻게 풀까

유형 1. 권수비·전압비 계산 문제 (계산형 최다 출제)

변압기 문제에서 계산형이 나오면 90%는 이 권수비 관계식에서 출발합니다.
전기기능사 시험 매 회차마다 1~2문제가 고정 출제될 만큼, 이 유형은 그냥 넘어가면 안 됩니다.
여기서 테스트하는 건 단순 암기가 아니라, 전압·전류·권수의 방향 관계를 제대로 이해했는지입니다.

[문제] 1차 권수 1,000회, 2차 권수 100회인 변압기의 1차 전압이 3,300V일 때, 2차에 흐르는 전류가 50A라면 1차 전류는 몇 A인가?

① 0.5A
② 5A
③ 50A
④ 500A

정답: ② 5A

핵심 해설 (유형 1)

이 문제에서 핵심은요, 권수비 공식을 딱 세 가지 관계로 나눠 기억하는 겁니다.

권수비 a = N1/N2 = V1/V2 = I2/I1

전압은 권수비에 비례, 전류는 권수비에 반비례입니다.
이 순서로 외워두면 절대 헷갈리지 않습니다.

풀이를 따라가 보겠습니다.
권수비 a = N1/N2 = 1,000/100 = 10입니다.
전류비는 권수비의 역수이므로, I1/I2 = N2/N1 = 1/10, 즉 I1 = I2 ÷ 10 = 50 ÷ 10 = 5A입니다.

여기서 많이 헷갈리는데요, 각 오답이 어떤 착각에서 나오는지 보겠습니다.

① 0.5A : 권수비를 거꾸로 적용해서 I1 = I2 × (N2/N1) = 50 × (100/1000) = 5A로 계산하다가 소수점을 잘못 처리한 경우입니다.
아니면 "1차 전압이 높으니까 전류는 더 작아야 한다"는 방향은 맞게 잡았는데, 역수를 0.1이 아니라 0.01로 착각한 겁니다.
비율 계산이 헷갈리면 반드시 a값을 먼저 정수로 구해놓고 나눠야 합니다.

③ 50A : 전류가 권수와 아무 관계가 없다고 본 겁니다.
"변압기는 전압만 바꾸는 거 아닌가요?" 라고 생각했다면 이 보기를 고르게 됩니다.
하지만 이상변압기에서는 에너지 보존 법칙이 성립해서, 1차 전력과 2차 전력이 같아야 하기 때문에 전압이 낮아지면 전류는 그만큼 커지고, 전압이 높아지면 전류는 그만큼 작아집니다.

④ 500A : 전압처럼 전류도 권수비에 비례한다고 착각한 겁니다.
"권수비가 10이니까 전류도 10배" 라는 식으로 잘못 생각하면 I1 = 50 × 10 = 500A가 나옵니다.
이 착각이 가장 위험합니다. 전압과 전류의 방향이 반대라는 게 이 문제의 핵심이니까요.

검산법도 알아두면 좋습니다.
이상변압기에서는 V1 × I1 = V2 × I2 (입력 전력 = 출력 전력)가 성립합니다.
2차 전압 V2 = V1/a = 3,300/10 = 330V이고, V2 × I2 = 330 × 50 = 16,500VA.
V1 × I1 = 3,300 × 5 = 16,500VA로 딱 맞습니다.
이 검산법으로 계산 실수를 시험장에서 잡을 수 있습니다.

유형 2. 변압기 결선 방식 (Y-Y, Δ-Δ, Y-Δ) 개념 문제

3상 변압기 결선 문제는 계산형이 아니라 개념형이라서 "그냥 외우면 되지"라고 생각하는 분들이 많습니다.
그런데 시험에서 이렇게 나오면 오히려 더 틀립니다. 각 결선의 특징을 단편적으로 외우면, 보기 한 글자가 바뀌어도 구분을 못 하게 됩니다.
이 유형이 테스트하는 건 결선별 선간전압·선전류·위상차·고조파 특성의 차이를 구분하는 능력입니다.

[문제] 3상 변압기의 Y-Y 결선 방식의 특징으로 옳지 않은 것은?

① 중성점 접지가 가능하다
② 절연이 용이하다
③ 제3고조파에 의한 통신선 유도장해가 적다
④ 상전압이 선간전압의 1/√3이다

정답: ③ 제3고조파에 의한 통신선 유도장해가 적다

핵심 해설 (유형 2)

시험에서 이 유형이 나오면, 먼저 "옳지 않은 것"인지 "옳은 것"인지부터 확인하세요.
③번 보기가 함정인 이유가 바로 여기 있습니다.
Y-Y 결선은 제3고조파 유도장해가 '크다'는 게 결정적 단점인데, 보기에는 "적다"고 적혀 있습니다.

왜 그럴까요.
Δ결선이 회로 어딘가에 포함되어 있으면, 제3고조파 전류가 그 Δ 루프 안에서 순환하면서 외부로 빠져나가지 못합니다.
하지만 Y-Y 결선은 그 순환 경로가 없습니다.
제3고조파가 외부로 나와 통신선에 유도장해를 일으키는 게 Y-Y 결선의 고질적인 문제입니다.
그래서 Y-Y 결선 단독 사용은 실제 계통에서 거의 안 합니다.

나머지 보기가 왜 정상적인 Y결선의 특징인지 확인해보겠습니다.

① 중성점 접지 가능 : Y결선은 세 상이 한 점에서 만나는 구조라 중성점이 생깁니다.
여기에 접지를 연결할 수 있어서 지락 사고 보호에 유리합니다.
Δ결선은 이 중성점 자체가 없습니다.

② 절연이 용이 : Y결선에서 각 권선에 걸리는 전압은 선간전압의 1/√3입니다.
같은 선간전압이라면 Y결선이 Δ결선보다 권선 절연 부담이 낮습니다.
초고압 송전용 변압기에서 Y결선을 선호하는 이유가 바로 이겁니다.

④ 상전압 = 선간전압 × 1/√3 : Y결선의 기본 공식입니다.
헷갈리면 이렇게 구분하세요. Y결선은 선간전압이 상전압의 √3배, Δ결선은 선전류가 상전류의 √3배입니다.
√3이 붙는 위치가 반대라는 게 핵심입니다.

추가로, V결선이 나오면 출력비 57.7%(= 1/√3), 이용률 86.6%(= √3/2)를 세트로 기억해두세요.
이 수치를 서로 바꿔놓고 묻는 문제도 종종 출제됩니다.

유형 3. 변압기 손실과 효율 계산

변압기 효율 문제는 계산형과 개념형이 섞여 나옵니다.
단순히 공식을 외운 사람과, 왜 그 조건이 최대효율인지를 이해한 사람이 갈리는 유형입니다.
매 회차 1문제는 반드시 나오고, 최근에는 개념형 비중이 높아지고 있습니다.

[문제] 변압기의 효율이 최대가 되는 조건은?

① 철손 = 동손
② 철손 = 2 × 동손
③ 동손 = 2 × 철손
④ 철손과 동손 모두 0

정답: ① 철손 = 동손

핵심 해설 (유형 3)

이 문제에서 핵심은 철손과 동손의 성질 차이를 먼저 잡는 겁니다.

철손(Pi, 무부하손) : 부하에 관계없이 항상 일정합니다.
전압만 걸려 있으면 발생하는 손실이라 부하가 0이어도 똑같이 발생합니다.

동손(Pc, 부하손) : 부하전류의 제곱에 비례합니다.
부하율 m으로 나타내면, 동손 = m² × Pc(전부하 동손) 입니다.

효율 공식은 이렇습니다.
η = 출력 / (출력 + Pi + m²Pc)

여기서 m을 변수로 보고 효율이 최대가 되는 조건을 수학적으로 구하면, Pi = m²Pc, 즉 철손 = 동손 일 때 효율이 최대가 됩니다.
대부분의 변압기가 75% 부하 전후에서 최대효율이 나오도록 설계되는 이유가 바로 이 조건 때문입니다.

오답 보기를 차근차근 짚어보겠습니다.

② 철손 = 2 × 동손 / ③ 동손 = 2 × 철손 : 이 두 보기는 "뭔가 비율이 있어야 하지 않나?"라는 느낌에 끌려 고르는 경우가 많습니다.
하지만 최대효율 조건에서 계수는 1:1입니다. 어느 쪽도 2배가 아닙니다.
이 보기들은 수험생이 정확한 수치를 기억하는지 확인하는 함정입니다.

④ 철손과 동손 모두 0 : 이게 가장 교묘한 함정입니다.
"손실이 없으면 효율이 100%니까 당연히 최대 아닌가요?" 라고 생각하면 이걸 고르게 됩니다.
그런데 문제가 묻는 건 효율의 최대값이 아니라, 효율이 최대가 되는 조건입니다.
현실에서 손실을 0으로 만드는 건 불가능하고, 주어진 철손·동손 조건 안에서 어떤 부하율일 때 효율이 가장 높아지는지를 묻는 겁니다.
문제 문장을 꼼꼼히 읽는 습관이 이 함정을 피하게 해줍니다.

반드시 기억할 암기 포인트 2개를 정리합니다.

최대효율 조건: 철손(Pi) = 동손(m²Pc)
동손은 부하전류(또는 부하율)의 제곱에 비례, 철손은 부하와 무관하게 일정

이 두 문장을 입으로 소리 내어 말할 수 있을 정도로 익혀두면, 계산형이든 개념형이든 흔들리지 않습니다.