단상 전력 시스템 개략도에는 실제 전력 회로의 배선에 대한 내용이 거의 나와 있지 않습니다.
위에 묘사된 것은 매우 간단한 AC 회로 입니다 . 부하 저항의 전력 소모가 상당하다면, 우리는 이것을 일반적인 회로로 간주하는 대신 "전력 회로" 또는 "전력 시스템"이라고 부를 수 있습니다.
"전원 회로"와 "일반 회로"의 구분은 임의적인 것처럼 보일 수 있지만 실제적인 문제는 확실히 그렇지 않습니다.
실제 회로 분석
그러한 우려 중 하나는 AC 소스에서 부하로 전력을 공급하는 데 필요한 배선의 크기와 비용입니다. 일반적으로 전기 법칙에 대해 배우기 위해 회로를 분석하는 경우 이러한 유형의 우려에 대해 많은 생각을 하지 않습니다.
그러나 현실 세계에서는 큰 문제가 될 수 있습니다. 위 회로의 소스에 전압 값을 제공하고 두 부하 저항에 전력 소모 값을 제공하면 이 특정 회로에 필요한 배선을 결정할 수 있습니다.
실제적으로, 120Vac에서 20kW 부하에 대한 배선은 상당히 큽니다(167A).
위 그림에서 각 부하 저항에 대한 83.33 암페어는 총 회로 전류 166.66 암페어에 해당합니다. 이는 적은 양의 전류가 아니며 최소 1/0 게이지의 구리선 도체가 필요합니다.
이런 전선은 직경이 1/4인치(6mm)를 훨씬 넘고, 천 피트당 300파운드가 넘는 무게를 가지고 있습니다. 구리도 싸지 않다는 점을 명심하세요! 긴 도체 길이의 전력 시스템을 설계한다면 이런 비용을 최소화하는 방법을 찾는 것이 우리에게 가장 이롭습니다.
이를 달성하기 위한 한 가지 방법은 전원의 전압을 높이고 이 더 높은 전압에서 각각 10kW를 소모하도록 제작된 부하를 사용하는 것입니다 .
물론, 부하는 이전보다 더 높은 전압에서 동일한 전력(각각 10kW)을 소모하려면 더 큰 저항 값을 가져야 합니다.
장점은 필요한 전류가 적어 더 작고 가볍고 저렴한 전선을 사용할 수 있다는 것입니다.
240 Vac에서 동일한 10 kW 부하는 120 Vac(83 A)에서보다 실질적인 배선이 덜 필요합니다.
이제 전체 회로 전류는 83.33 암페어로 이전의 절반 수준입니다.
이제 우리는 단위 길이당 1/0 게이지 와이어의 절반보다 가벼운 4 게이지 와이어를 사용할 수 있습니다. 이는 성능 저하 없이 시스템 비용을 상당히 절감하는 것입니다.
이것이 전력 분배 시스템 설계자가 매우 높은 전압(수천 볼트)을 사용하여 전력을 전송하기로 선택하는 이유입니다. 더 작고 가볍고 저렴한 전선을 사용함으로써 실현 가능한 비용 절감을 활용하기 위해서입니다.
소스 전압을 증가시키는 위험
그러나 이 솔루션은 단점이 없는 것은 아닙니다. 전력 회로에 대한 또 다른 실용적인 우려는 고전압으로 인한 감전 위험입니다.
다시 말하지만, 이는 일반적으로 전기 법칙을 배울 때 우리가 집중하는 종류의 사항이 아니지만 현실 세계에서는 매우 타당한 관심사이며, 특히 대량의 전력을 다룰 때 그렇습니다.
회로 전압을 높여서 실현한 효율성 향상은 감전의 위험을 증가시킵니다. 전력 분배 회사는 높은 기둥이나 탑을 따라 전력선을 연결하고 지지 구조물에서 전선을 큰 도자기 절연체로 절연하여 이 문제를 해결합니다.
사용 지점(전력 고객)에서는 여전히 부하에 전력을 공급하는 데 사용할 전압에 대한 문제가 있습니다.
고전압은 도체 전류를 줄여 시스템 효율성을 높이지만, 배전 시스템에서 전선을 사람이 닿을 수 없는 높이에 두는 것처럼 사용 지점에서 전선을 사람이 닿을 수 없는 곳에 두는 것이 항상 실용적인 것은 아닙니다.
효율성과 위험성 간의 이러한 균형은 유럽의 전력 시스템 설계자들이 감수하기로 결정한 위험 중 하나입니다. 그들은 북미에서 사용하는 120볼트 대신 모든 가정과 가전제품의 정격 전압을 240볼트로 맞추었습니다.
그래서 유럽을 방문하는 미국인 관광객은 휴대용 기기를 위한 작은 강압 변압기를 가지고 다녀야 합니다. 240VAC(볼트 AC) 전원을 더 적합한 120VAC로 낮추기 위해서입니다.
소비자에게 전압을 공급하기 위한 솔루션
전력 사용 종료 지점의 스텝 다운 변압기
효율성 증대와 안전 위험 감소의 이점을 동시에 실현할 수 있는 방법이 있을까요?
한 가지 해결책은 유럽을 방문하는 미국인 관광객이 하는 것처럼 전력 사용의 최종 지점에 강압 변압기를 설치하는 것입니다.
그러나 이 방법은 매우 작은 부하(변압기를 저렴하게 제작할 수 있는 경우)나 매우 큰 부하(굵은 구리선 비용이 변압기 비용을 초과하는 경우)를 제외하고는 비용이 많이 들고 불편합니다.
직렬로 연결된 두 개의 낮은 전압 부하
대안적인 해결책은 더 높은 전압 공급 장치를 사용하여 직렬로 연결된 두 개의 낮은 전압 부하에 전원을 공급하는 것입니다. 이 접근 방식은 고전압 시스템의 효율성과 저전압 시스템의 안전성을 결합합니다.
직렬로 연결된 120 Vac 부하, 240 Vac 소스로 구동되어 총 전류는 83.3 A입니다.
표시된 각 전압의 극성 표시(+ 및 -)와 전류의 단방향 화살표를 주목하세요.
대체로 우리가 분석한 AC 회로에서는 "극성"이라는 라벨을 붙이지 않았습니다. 이 표기법이 위상에 대한 기준 프레임을 제공하는 데 유효함에도 불구하고요.
이 장의 후반부에서는 위상 관계가 매우 중요해지므로, 여러분의 이해를 돕기 위해 이 장의 앞부분에 이 표기법을 소개합니다.
각 부하를 통과하는 전류는 간단한 120V 회로와 같지만, 부하가 병렬이 아닌 직렬로 연결되어 있기 때문에 전류가 덧셈되지 않습니다.
각 부하의 전압은 240볼트가 아니라 120볼트에 불과하므로 안전 계수가 더 좋습니다. 전력 시스템 전선에는 여전히 240볼트가 흐르지만 각 부하는 감소된 전압에서 작동합니다.
누군가가 감전될 경우, 전력 시스템의 주요 전선에 닿아서가 아니라 특정 부하의 도체에 닿아서 감전될 가능성이 큽니다.
2개 부하 시리즈 설계 수정
이 설계에는 단 하나의 단점이 있습니다. 부하 중 하나가 고장나거나 꺼지는 경우(각 부하에 전류를 차단하는 직렬 켜기/끄기 스위치가 있다고 가정할 때) 결과가 좋지 않습니다.
직렬 회로이므로 두 부하 중 하나가 열리면 다른 부하에서도 전류가 멈춥니다. 이러한 이유로 설계를 약간 수정해야 합니다. (아래 그림)
중성선을 추가하면 부하를 개별적으로 구동할 수 있습니다.
분상 전력 시스템
단일 240V 전원 공급 장치 대신, 두 개의 120V 전원 공급 장치를 직렬로 연결하여 240V를 생성한 다음, 부하 사이의 연결 지점에 세 번째 전선을 연결하여 하나의 부하가 개방되는 상황을 처리합니다.
이것을 분할 위상 전력 시스템 이라고 합니다 . 세 개의 작은 전선은 여전히 간단한 병렬 설계에 필요한 두 개의 전선보다 저렴하므로 효율성 면에서 여전히 앞서 있습니다.
세심한 관찰자는 중성선이 두 부하 사이의 전류 차이 만을 전원으로 전달하면 된다는 것을 알아차릴 것입니다.
위의 경우, 완벽하게 "균형 잡힌" 부하가 동일한 양의 전력을 소비하면 중성선은 전류를 전혀 전달하지 않습니다.
중성선이 전원 공급 장치 끝에서 접지에 어떻게 연결되어 있는지 주목하세요. 이것은 "중성"선이 포함된 전력 시스템에서 흔히 볼 수 있는 특징인데, 중성선을 접지하면 주어진 시간에 "뜨거운"선과 접지 사이에 가능한 가장 낮은 전압이 보장되기 때문입니다.
분할 위상 전력 시스템의 필수 구성 요소는 이중 AC 전압원입니다. 다행히도, 이를 설계하고 구축하는 것은 어렵지 않습니다.
대부분의 AC 시스템은 어차피 스텝다운 변압기에서 전력을 받기 때문에(높은 분배 레벨에서 120 또는 240과 같은 사용자 레벨 전압으로 전압을 스텝다운) 해당 변압기는 중앙 탭 2차 권선으로 제작할 수 있습니다.
미국의 120/240 Vac 전원은 중앙 탭형 전력 변압기에서 공급됩니다.
AC 전원이 발전기(교류 발전기)에서 직접 공급되는 경우, 코일을 중앙 탭으로 연결하여 동일한 효과를 얻을 수 있습니다. 변압기 또는 교류 발전기 권선에 중앙 탭 연결을 포함하는 추가 비용은 최소화됩니다.
여기서 (+) 및 (-) 극성 표시가 정말 중요해집니다. 이 표기법은 종종 여러 AC 전압 소스의 위상을 참조하는 데 사용되므로 서로를 돕는지("부스팅") 또는 서로를 반대하는지("버킹")가 명확합니다.
이러한 극성 표시가 없다면 여러 AC 소스 간의 위상 관계는 매우 혼란스러울 수 있습니다. 회로도의 분할 위상 소스(각각 120볼트 ∠ 0°)는 직렬 보조 배터리와 마찬가지로 극성 표시 (+)에서 (-)까지 다음과 같이 표현할 수 있습니다. (아래 그림)
분할상 120/240 Vac 전원은 120 Vac 전원을 보조하는 두 개의 직렬 전원과 같습니다.
"뜨거운" 전선 사이의 전압을 수학적으로 계산하려면 전압을 빼야 합니다 . 왜냐하면 극성 표시가 서로 반대임을 보여주기 때문입니다.
두 소스의 공통 연결 지점(중성선)을 같은 극성 표시(-)로 표시하면, 상대적인 위상 이동을 180° 떨어진 것으로 표현해야 합니다. 그렇지 않으면 서로 정반대인 두 전압 소스를 표시하게 되어 두 "뜨거운" 도체 사이에 0볼트가 생깁니다.
왜 극성 마크와 위상 각도에 대해 자세히 설명하는 데 시간을 들이는 걸까요? 다음 섹션에서 더 이해가 될 겁니다!
미국 가정과 경공업의 전력 시스템은 대부분 분상형으로, 소위 120/240 VAC 전력을 제공합니다. "분상형"이라는 용어는 그러한 시스템에서 분상 전압 공급을 지칭할 뿐입니다.
더 일반적인 의미에서 이러한 종류의 AC 전원 공급 장치는 두 전압 파형이 서로 동상, 즉 계단 모양이기 때문에 단상 이라고 합니다.
"단상"이라는 용어는 우리가 자세히 조사하려는 "다상"이라는 또 다른 종류의 전력 시스템과 대조됩니다. 이 장의 제목 주제로 이어지는 긴 서론에 대해 사과드립니다.
다상 전력 시스템의 장점은 단상 전력 시스템에 대한 이해가 먼저 잘 갖춰지면 더욱 분명해집니다.
검토:
- 단상 전력 시스템은 단 하나의 전압 파형을 갖는 AC 전원을 사용하는 것으로 정의됩니다.
- 분할 위상 전력 시스템은 여러 개의 (동상) AC 전압 소스가 직렬로 연결되어 두 개 이상의 전선으로 여러 전압의 부하에 전력을 공급하는 시스템입니다. 주로 시스템 효율성(낮은 도체 전류)과 안전성(낮은 부하 전압) 간의 균형을 이루는 데 사용됩니다.
- 변압기 또는 교류 발전기의 코일 권선을 중앙 태핑하면 분상 AC 전원을 쉽게 생성할 수 있습니다.