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2013년 9월 14일 토요일

단상 및 삼상 전기에 대한 알기쉬운 설명

일반 사람들이 가지는 전기에 대한 의문 중의 하나가 전기라는 것이 두가닥의 선만 있으면 되는 데 도대체 세가닥 또는 네가닥이 있는 삼상 전기는 무었인가? 라는 것이다.

여기에서 알기쉬운 개념의 단상과 삼상 전기를 설명하고자 한다.

삼상 전기에 대한 설명을 하기 전에 단상 전기를 보다 정확히 설명하고자 한다.
보통 단상 전기의 두가닥의 전선을 "한 선으로 전류가 흘러가고 다른 한 선으로 전류가 흘러 나온다"라고 설명을 하기 때문에 삼상을 이해하는 데 어려움이 있다.

단상 전기를 다시 설명하자면;

"전기에너지를 공급하기 위한 두가닥의 전선은 최소한의 조건으로 전기적 위치 에너지를 이 두가닥의 전선에 실어 보내는 방식"

이며 가정용 단상 전기는 이 두가닥으로 공급된 전기 에너지를 전등 또는 가전 제품에 연결하여 사용하는 것이다.

같은 개념으로 삼상 전기는;

"전기적 위치 에너지를 위상차가 다른 3 가닥(또는 4  가닥)의 전선으로 전기 에너지를 공급하는 방식"

으로 표현할 수 있다.

조금더 학술적으로 단상과 삼상 교류 전기의 차이를 다음과 같이 설명한다.


전력 효율의 비교
단상은 두 가닥의 전선으로 공급된다.. 그러나 3상은 기본적으로 세 가닥의 전선으로 공급된다. 즉 세가닥 이란 두 가닥의 전선에 50%의 할증을 한 것이다.
다음 식을 보자,


단상 전력의 공식: P2 = V x I x cosφ
삼상 전력의 공식: P3 = √3 x V x I x cosφ
여기서 V = 전압, I = 전류, cosφ = 역률


단상과 마찬가지로 3상 전력의 공식은 전압과 전류를 곱한 값에 역율(Power Factor, 코사인 파이로 읽는다, 전압과 전류의 위상차의 Cosine 값)을 곱한 것으로 구한다. 그러나 제일 앞에 붙은 √3에 주목하자. √3은 근사값으로 1.73에 해당한다.

단상과 삼상 회로가 동일한 전압, 전류의 경우 삼상은 50%의 전선 할증으로 1.73배 즉 73%의 전력이 증가하였으므로 전선 수의 증가 분 50%를 빼고도 23%의 전력이 추가로 증가 되었다.

이것이 바로 단상과 삼상의 효율의 차이를 증명하는 것이다.

3상은 단상보다 전력 효율이 높다. 그러므로 대 전력을 필요로 하는 공장 또는 대형 상업 시설 등에 적합하다.



삼상 교류 전기는 어떻게 만들어 지는가?
발전소에서 만들어 지는 전기는 삼상이다.

삼상을 쉽게 이해하기 위하여 이렇게 생각하자. 3 뭉치의 코일을 어떤 축을 중심으로 등 간격으로 배치한다. 즉 120도 간격이 될 것이다. 그 축의 중심에 막대자석을 놓고 돌린다고 가정할 때 1번 코일 하나만 생각하자.

자석의 N극이 1번 코일에 접근함에 따라 전압(플러스 전압이라고 가정하자)이 서서히 증가하여 코일의 중심에 올 때 1번 코일에 최고의 전압이 유기 될 것이며 자석이 중심에서 멀어지면 유기되는 전압이 점점 작아질 것이며 자석과 코일의 각도가 90도가 되는 지점에서 유기 전압은 0 이 되고 S극이 서서히 다가옴에 따라 마이너스 전압이 서서히 증가하여 최고점에 이르렀다가 서서히 감소할 것이다.

2번 및 3번 코일을 동시에 고려하면 모든 코일에서 발생하는 전압은 동일한 형상으로 그리며 시간적 간격(120도)만 다르게 된다.

아래의 그림은 시간에 따른(가로축) 각 상(적, 청, 흑) 전압의 변화(세로 축)를 그린 것이다.

이것이 간단히 설명한 삼상 교류 발전의 원리이다.


이를 정리하면
1. 각 코일에 유기되는 전압의 변화는 Sine 곡선을 그린다.
2. 각 코일에 발생되는 최고 전압은 각기 120도의 시간차가 있고 자석의 회전 방향에 따라 코일에 유기 되는 전압은 순서가 있다(보통 회전 방향에 따라 각 상을 순서에 따라 A, B, C 또는 R, S, T상 이라고 칭한다). 이것을 상회전 이라고 한다.


삼상 4선식은 무었인가?
저압을 만드는 변압기의 2차측을 결선하는 방식에는 Y 결선 방식과 Δ(Delta 라고 읽는다) 결선 방식이 있다.

즉, 세그룹의 코일에서 각각 하나의 단자를 인출하고 나머지 3선을 연결하는 방식 중에 한데 묶거나(Y 결선) 다른 코일의 반대측 단자에 연결하는(Delta 결선) 방식이 있다.

Y 결선 방식에서 나머지를 모두 연결한 지점을 중성점(흔히 "N 상" 이라고 말하나 정확히 말해서 Phase를 의미하는 상은 아니므로 중성점으로 불러야 한다) 이라고 하는 데 이 연결 부분을 동시에 공급하는 경우 삼상 4선식이라고 한다.

보통 공장이나 상업 시설 등에 적용되는 방식으로서 대 전력을 사용할 수 있는 3상 380볼트 또는 중성점과 각 상을 연결하여 일반적인 단상 220볼트를 얻을 수 있는 우리나라의 표준 저압 배전 방식 중의 하나이다.


Delta 결선과 중성점이 있는 Y 결선





















단상이란?
간단히 말해서 두 가닥의 선으로 공급되는 전기는 단상이다.
일반적으로 공장 또는 대형 영업장 등에 공급되는 3상 4선식 전력 방식에서 단상(220 볼트)은 삼상의 세가닥 중 한가닥과 중성점을 연결하여 얻고 있다. 삼상의 세 가닥 중 두 가닥을 연결하면 단상 380 볼트가 되나 실제로 이러한 입력을 필요로 하는 장치는 거의 없다.


단상 삼선식은?
세 가닥의 선으로 공급되는 단상을 말한다.
가정용 전압을 220볼트로 승압할 때 한시적으로 사용되었으며 지금도 지역에 따라 사용되는 곳이 있다.
변압기의 2차측 권선의 중간 탭을 대지에 접지 시킨 중성선(0 볼트)과 쉽게 표현하자면 +110 볼트 선로및 -110 볼트 선로를 동시에 공급하여 110 볼트 또는 220 볼트를 쉽게 선택하여 사용할 수 있도록 한 방식이다.
세가닥으로 전기가 공급되나 세가닥을 동시에 연결하여 사용하지는 않고 두가닥만 (110 또는 220 볼트) 사용하므로 단상이다.
내 블로그의 다른 게시물 중 미국의 배전방식 을 참고하기 바랍니다.
 
단상 3선식의 결선도(변압기의 2차 측)

댓글 16개:

  1. 3상에 대해서 이해를 하는 데 많은 도움 됐습니다. 감사합니다~

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  2. 전기란 무엇일까 받는걸까 주는걸까 받을뗀 꿈속같고 줄떼는 안타가워 전기에 살고 전기에 울며 살아온 내인생에 오늘도 남모르게 무지개 뜨네

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  3. 전기를 주제로 시를 한수 만드셨네요.

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  4. 감사히 잘 보았습니다. 명쾌한 설명이십니다.^^

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  5. 감사합니다. 과제 참고에 도움이 되었습니다.

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  6. 쉽게 설명해 주셔서 많은 도움되었습니다.

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  7. 감사합니다. IT 공부하다 전력IT를 공부하고 있는데 그간 그냥 지나쳤던 부분 쉬운 설명으로 이해할 수 있게 됐습니다.

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  8. 질문있습니다
    2차측 배전을 할때 변압기에 델타방식을 채용하면 중성점이 없으므로 3상 4선식이라고 할 수 없는건가요?

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    답글
    1. 당연합니다.
      따라서 델타결선은 다른 말로 3상 3선식 이라고 표현하기도 합니다.

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  9. 블로그 관리자가 댓글을 삭제했습니다.

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  10. 궁금한 것이 있어 문의합니다.
    저희 아파트가 단상 삼선식 220v인 것 같습니다.
    콘센트에 접지선이 없습니다
    이 경우에 접지를 하지 않아도 되는지와
    전기극성이 있는지 있으면 어떻게 확인할 수
    있습니까?

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    1. 오래된 아파트의 경우 단상3선식 전기가 아직까지 공급되고 있는 곳이 있습니다.
      단상3선식에서는 220V로 연결할 경우 두개의 Hot Line 이 있다고 이해하시면 됩니다. 극성을 구분하는 것은 무의미 합니다.
      지금의 실정에서 110V는 필요하지 않기 때문에 모든 콘센트를 220V용으로 교체하는 것이 좋을 듯 합니다.
      분전반에 단상3선식 차단기가 설치되어있을 경우 단상2선식 차단기로 바꾸고 남는 중성선을 접지선으로 활용하면 가능합니다.
      주 차단기에는 배전용 차단기를, 각 지로에는 누전차단기(20~30A)를 사용하면 됩니다.
      외부에서 인입된 접지선이 없을 경우 아파트 같은 경우 현실적으로 접지를 연결하기가 불가능 합니다.
      각 지로에 누전 차단기를 사용할 경우 접지선에 의한 보호는 불가능하지만 감전 사고 발생시 차단은 됩니다.

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  11. 전기에 대한 관심은 많은데 책을 보면 이해가 어렵더라구요.
    간결하고 명쾌한 설명 많은 도움을 얻습니다.

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  12. 어려운 전문적인 내용이지만 계속 읽고 공부하다보면 이해될 날이 있겠지요.많은 도움이 되었습니다.

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  13. 오.. 이해하기 좋은 설명이네요 감사합니다!!

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  14. 많은 도움이 되었습니다감사합니다

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