전기학을 전공하는 대부분의 학생들은 직류 (DC) 로 공부를 시작합니다 . 직류는 일정한 방향으로 흐르거나 일정한 극성을 가진 전압을 갖는 전기입니다.
DC는 배터리(양극과 음극이 명확히 구분되어 있음)로 생성되는 전기의 종류이거나, 특정 유형의 물질을 서로 문지르면서 생성되는 전하의 종류입니다.
교류 전류 대 직류 전류
DC는 유용하고 이해하기 쉽지만, 사용되는 유일한 "종류"의 전기는 아닙니다. 특정 전기원(특히 회전 전기기계 발전기)은 자연스럽게 극성이 번갈아 가며 전압을 생성하여 시간이 지남에 따라 양전하와 음전하가 반전됩니다.
전압 스위칭 극성 또는 전류 스위칭 방향 앞뒤로 이러한 "종류"의 전기를 교류(AC)라고 합니다.
직류 vs 교류
익숙한 배터리 기호는 모든 DC 전압원을 나타내는 일반적인 기호로 사용되는 반면, 물결선이 그려진 원은 모든 AC 전압원 을 나타내는 일반적인 기호입니다 .
왜 누군가가 AC와 같은 것에 신경을 써야 하는지 궁금할 수 있습니다. 어떤 경우에는 AC가 DC보다 실질적인 이점이 없다는 것은 사실입니다.
전기를 사용하여 열의 형태로 에너지를 소산하는 응용 분야에서는 부하에 원하는 열(전력 소산)을 생성할 만큼 충분한 전압과 전류가 있는 한 전류의 극성이나 방향은 중요하지 않습니다. 그러나 AC를 사용하면 DC보다 훨씬 효율적인 발전기, 모터 및 전력 분배 시스템을 구축할 수 있으므로 전 세계적으로 고전력 응용 분야에서 주로 AC가 사용되고 있습니다.
그 이유를 자세히 설명하려면 AC에 대한 약간의 배경 지식이 필요합니다.
교류 발전기
만약 어떤 기계가 샤프트를 돌릴 때 고정된 와이어 코일 주위에 자기장을 회전시키도록 제작되었다면 , 그 샤프트가 회전할 때 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 와이어 코일에 교류 전압이 생성됩니다 .
이것은 교류 발전기 (교류 발전기 라고도 함)의 기본 작동 원리입니다 . 아래 그림
발전기 작동
회전하는 자석의 반대극이 지나갈 때 와이어 코일에 걸리는 전압의 극성이 어떻게 바뀌는지 주목하세요.
부하에 연결된 이 역전압 극성은 회로에서 역전류 방향을 생성합니다. 발전기의 샤프트가 더 빨리 회전할수록 자석이 더 빨리 회전하여 주어진 시간 내에 방향을 더 자주 전환하는 교류 전압 및 전류가 발생합니다.
직류 발전기는 전자기 유도라는 일반적인 원리를 사용하지만, 구조가 교류 발전기만큼 간단하지 않습니다.
DC 발전기의 경우, 와이어 코일은 자석이 AC 발전기에 있는 샤프트에 장착되고, 회전하는 샤프트의 구리 스트립에 접촉하는 고정된 탄소 "브러시"를 통해 이 회전 코일에 대한 전기적 연결이 이루어집니다.
이 모든 것은 코일의 변화하는 출력 극성을 외부 회로로 전환하여 외부 회로가 일정한 극성을 볼 수 있도록 하는 데 필요합니다.
DC 발전기 작동
위에 표시된 발전기는 샤프트의 회전당 두 개의 전압 펄스를 생성하며, 두 펄스 모두 같은 방향(극성)입니다. DC 발전기가 1/2 회전마다 한 번씩 짧은 전압 펄스를 생성하는 대신 일정한 전압을 생성하려면 여러 세트의 코일이 브러시와 간헐적으로 접촉해야 합니다.
위에 표시된 다이어그램은 실제로 보는 것보다 조금 더 단순화되었습니다.
움직이는 코일과 전기 접촉을 만들고 끊는 데 관련된 문제는 명확해야 합니다(스파크와 열). 특히 발전기의 샤프트가 고속으로 회전하는 경우 더욱 그렇습니다. 기계를 둘러싼 대기에 인화성 또는 폭발성 증기가 포함되어 있는 경우 스파크를 생성하는 브러시 접촉의 실제적인 문제는 훨씬 더 커집니다.
교류 발전기는 작동하는 데 브러시와 정류자가 필요하지 않으므로 직류 발전기에서 발생하는 이러한 문제가 발생하지 않습니다.
교류 모터
발전기 설계와 관련하여 DC에 비해 AC의 이점은 전기 모터에도 반영됩니다.
DC 모터는 와이어의 움직이는 코일과 전기적으로 접촉하기 위해 브러시를 사용해야 하는 반면, AC 모터는 그렇지 않습니다. 사실, AC 및 DC 모터 설계는 발전기 대응 제품과 매우 유사합니다(이 튜토리얼에서는 동일). AC 모터는 고정된 와이어 코일을 통해 교류 전류가 생성한 역전 자기장에 의존하여 회전하는 자석을 샤프트에서 회전시키고, DC 모터는 브러시 접점에 의존하여 1/2 회전(180도)마다 회전 코일을 통해 역전 전류를 흐르게 합니다.
변압기
따라서 우리는 AC 발전기와 AC 모터가 DC 발전기와 DC 모터보다 더 단순하다는 것을 알고 있습니다. 이러한 상대적 단순성은 더 큰 신뢰성과 더 낮은 제조 비용으로 이어집니다. 하지만 AC는 다른 무엇에 좋을까요? 발전기와 모터의 설계 세부 사항보다 더 많은 것이 분명 있을 것입니다! 실제로 있습니다.
상호 유도 라고 알려진 전자기 효과가 있는데 , 이는 두 개 이상의 와이어 코일을 배치하여 한 코일에서 생성된 변화하는 자기장이 다른 코일에 전압을 유도하도록 하는 것입니다. 상호 유도 코일이 두 개 있고 한 코일에 AC를 공급하면 다른 코일에 AC 전압이 생성됩니다. 이러한 방식으로 사용될 때 이 장치는 변압기라고 합니다 .
변압기는 AC 전압과 전류를 "변환"합니다.
변압기의 근본적인 중요성은 전원이 공급되는 코일에서 전원이 공급되지 않는 코일로 전압을 높이거나 낮추는 능력입니다. 전원이 공급되지 않는("2차") 코일에서 유도된 AC 전압은 전원이 공급되는("1차") 코일의 AC 전압에 2차 코일 권선과 1차 코일 권선의 비율을 곱한 값과 같습니다.
2차 코일이 부하에 전력을 공급하는 경우 2차 코일을 통과하는 전류는 정반대입니다. 1차 코일 전류에 1차 권선과 2차 권선의 비율을 곱한 것입니다. 이 관계는 토크와 속도를 사용하여 각각 전압과 전류를 나타내는 매우 밀접한 기계적 유추가 있습니다.
속도 증가 기어 트레인은 토크를 낮추고 속도를 높입니다. 스텝다운 변압기는 전압을 낮추고 전류를 높입니다.
권선 비율이 반전되어 1차 코일의 권선이 2차 코일보다 적으면 변압기는 소스 레벨의 전압을 부하에서 더 높은 레벨로 "상승"시킵니다.
속도 감소 기어 트레인은 토크를 높이고 속도를 낮춥니다. 승압 변압기는 전압을 높이고 전류를 낮춥니다.
변압기는 AC 전압을 쉽게 승압하거나 강압할 수 있는 능력을 가지고 있어, 아래 그림과 같이 전력 분배 영역에서 AC는 DC보다 우월한 이점을 가지고 있습니다.
장거리에 전력을 전송할 때는 전압을 높이고 전류를 낮추는(저항이 적은 전력 손실이 있는 직경이 작은 전선) 방법을 사용하는 것이 훨씬 더 효율적이며, 그런 다음 산업, 사업 또는 소비자용으로는 전압을 낮추고 전류를 다시 높이는 방법이 있습니다.
변압기는 전기 에너지를 장거리에 효율적으로 고전압으로 전송할 수 있게 해줍니다.
변압기 기술은 장거리 전력 분배를 실용적으로 만들었습니다. 전압을 효율적으로 높이고 낮추는 능력이 없다면 근거리(최대 몇 마일 이내) 용도가 아닌 전력 시스템을 구축하는 데 비용이 많이 들 것입니다.
변압기는 유용하지만 DC가 아닌 AC로만 작동합니다. 상호 인덕턴스 현상은 변화하는 자기장 에 의존 하고 직류(DC)는 안정된 자기장만 생성할 수 있기 때문에 변압기는 단순히 직류로 작동하지 않습니다.
물론, 직류는 변압기의 1차 권선을 통해 중단(펄스)되어 변화하는 자기장을 생성할 수 있습니다(자동차 점화 시스템에서 저전압 DC 배터리로부터 고전압 스파크 플러그 전원을 생성하는 것처럼). 그러나 펄스 DC는 AC와 크게 다르지 않습니다.
아마도 다른 어떤 이유보다도 이것이 AC가 전력 시스템에 널리 적용되는 이유일 것입니다.
검토:
- DC는 "직류"를 의미하며, 시간이 지나도 일정한 극성이나 방향을 유지하는 전압 또는 전류를 의미합니다.
- AC는 "교류 전류"를 의미하며, 시간이 지남에 따라 극성이나 방향이 각각 변하는 전압 또는 전류를 의미합니다.
- 교류 전기기계 발전기는 교류 발전기 라고 불리며 , 직류 전기기계 발전기보다 구조가 간단합니다.
- AC 및 DC 모터 설계는 각각의 발전기 설계 원리를 매우 밀접하게 따릅니다.
- 변압기는 한 코일에서 다른 코일로 AC 전력을 전달하는 데 사용되는 상호 유도 코일 쌍입니다. 종종 각 코일의 턴 수는 전원이 공급되는(1차) 코일에서 전원이 공급되지 않는(2차) 코일로 전압을 증가 또는 감소시키도록 설정됩니다.
- 2차 전압 = 1차 전압 (2차 권선 / 1차 권선)
- 2차 전류 = 1차 전류 (1차 권선 / 2차 권선)