분상 전력 시스템이란?
분상 전력 시스템은 전체 전압을 작은 부분으로 나누고 그 작은 전압 에서 여러 부하에 전력을 공급하는 동시에 일반적인 전압 시스템에서 사용하는 수준의 전류를 소모함으로써 높은 도체 효율 과 낮은 안전 위험을 달성합니다.
그런데 이 기술은 단상 AC 시스템뿐만 아니라 DC 전원 시스템에도 잘 작동합니다. 이러한 시스템은 일반적으로 "위상"이 AC에 국한된 개념이기 때문에 분할 위상이 아닌 3선 시스템이라고 합니다.
하지만 우리는 벡터와 복소수를 통해 얻은 경험을 통해 서로 위상이 다를 경우 AC 전압이 항상 우리가 생각하는 대로 합산되지 않는다는 것을 알고 있습니다.
이 원리를 전력 시스템에 적용하면 분상형 전력 시스템보다 도체 효율이 더 높고 충격 위험이 더 낮은 전력 시스템을 만드는 데 활용할 수 있습니다.
예시
2개의 120° 위상차 전압 소스
이전에 본 분할 위상 시스템과 마찬가지로 직렬로 연결된 두 개의 AC 전압 소스가 있다고 가정해 보겠습니다. 다만 각 전압 소스는 다른 소스와 120° 위상 차이가 있습니다. (아래 그림)
120° 위상의 120 Vac 소스 한 쌍은 분할 위상과 유사합니다.
각 전압 소스는 120볼트이고, 각 부하 저항은 해당 소스와 직접 병렬로 연결되므로 각 부하의 전압 도 120볼트 여야 합니다 . 부하 전류가 83.33암페어인 경우, 각 부하는 여전히 10킬로와트의 전력을 소모해야 합니다.
그러나 두 "핫" 와이어 사이의 전압은 240볼트(120 ∠ 0° - 120 ∠ 180°)가 아닙니다. 두 소스 사이의 위상차가 180°가 아니기 때문입니다. 대신 전압은 다음과 같습니다.
명목상으로는 "뜨거운" 도체 사이의 전압은 208볼트(반올림)이고, 따라서 전력 시스템 전압은 120/208로 지정됩니다.
"중성" 도체를 통과하는 전류를 계산하면, 부하 저항이 균형 잡혀 있어도 0 이 아니라는 것을 알 수 있습니다. 키르히호프의 전류 법칙은 두 부하 사이의 노드에 들어오고 나가는 전류가 0이어야 한다고 말합니다. (아래 그림)
120° 위상의 전원 쌍이 있는 경우 중성선은 전류를 전달합니다.
결과 및 결론
따라서 "중성" 전선은 각 "핫" 전선과 마찬가지로 83.33 암페어를 모두 전달한다는 것을 알 수 있습니다.
이전과 마찬가지로 각 부하의 "핫" 전선이 83.33 암페어를 전달하면서 총 20kW의 전력을 두 부하에 계속 전달하고 있다는 점에 유의하세요.
각 "뜨거운" 전선을 통해 동일한 양의 전류가 흐르므로 동일한 게이지 구리 도체를 사용해야 하므로 분할 위상 120/240 시스템보다 시스템 비용이 감소하지 않습니다.
그러나 우리는 두 개의 "뜨거운" 도체 간의 전체 전압이 분할 위상 시스템보다 32볼트 낮아졌기 때문에 안전성이 향상되었습니다(240볼트 대신 208볼트).
3개의 120° 위상차 전압 소스
중성선이 83.33 암페어의 전류를 전달한다는 사실은 흥미로운 가능성을 제기합니다. 어차피 전류가 전달되므로, 그 세 번째 선을 또 다른 "핫" 도체로 사용하여 위상각이 240°인 세 번째 120볼트 소스로 다른 부하 저항에 전력을 공급하는 것은 어떨까요?
그렇게 하면 더 많은 도체를 추가하지 않고도 더 많은 전력(10kW 추가)을 전송할 수 있습니다. 이것이 어떻게 보일지 살펴보겠습니다. (아래 그림)
세 번째 부하가 다른 두 부하와 120° 위상이 맞춰져 있는 경우 전류는 두 부하와 동일합니다.
3상 시스템에 대한 SPICE 계산
이 회로의 모든 전압과 전류를 완전히 수학적 분석을 하려면 네트워크 정리를 사용해야 하는데, 가장 쉬운 것은 중첩 정리입니다.
세 개의 전압원이 서로 다른 위상각으로 균형 잡힌 3개의 부하 저항기에 각각 120볼트를 공급한다는 것을 직관적으로 이해할 수 있을 것이기 때문에 길고 지루한 계산은 생략하겠습니다.
이를 증명하기 위해 SPICE를 사용하여 수학을 수행할 수 있습니다. (아래 그림, SPICE 목록: 120/208 다상 전력 시스템)
SPICE 회로: 120°로 위상이 맞춰진 3개의 3-Φ 부하.
120/208 다상 전력 시스템 v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 sin r1 1 4 1.44 r2 2 4 1.44 r3 3 4 1.44 .ac lin 1 60 60 .print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4) .print ac v(1,2) v(2,3) v(3,1) .print ac i(v1) i(v2) i(v3) .end각 부하에 걸친 전압 주파수 v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02 "뜨거운" 도체 간 전압 주파수 v(1,2) v(2,3) v(3,1) 6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02 각 전압 소스를 통과하는 전류 주파수 i(v1) i(v2) i(v3) 6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01
과연, 우리는 각 부하 저항기에서 120볼트를 얻었고, 두 개의 "뜨거운" 도체 사이에는 (대략) 208볼트가 있었고 도체 전류는 83.33암페어와 같았습니다. (아래 그림)
해당 전류와 전압에서는 각 부하는 10kW의 전력을 소모합니다.
이 회로에는 부하 중 하나가 개방될 경우 모든 부하에 안정적인 전압을 보장하기 위한 "중성" 도체가 없다는 점에 유의하십시오.
여기서 우리가 겪는 상황은 "중성" 도체가 없는 분할 위상 전력 회로와 유사합니다. 즉, 하나의 부하가 개방 고장을 일으키면 나머지 부하의 전압 강하가 변합니다.
다른 부하 개방 시 부하 전압 안정성을 보장하려면 소스 노드와 부하 노드를 연결하는 중성선이 필요합니다.
시뮬레이션 결과로 주석이 달린 SPICE 회로: 120°로 위상이 지정된 3개의 3-Φ 부하.
부하가 균형을 유지하는 한(저항이 같고 전류가 같음) 중성선은 전류를 전혀 흐르게 할 필요가 없습니다. 그것은 하나 이상의 부하 저항이 열리지 않거나(또는 분리 스위치를 통해 꺼짐) 고장나는 경우를 대비하여 존재합니다.
다상 회로
우리가 세 개의 전압원으로 분석한 이 회로를 다상 회로라고 합니다. 접두사 "poly"는 단순히 "하나 이상"을 의미하는데, " poly theism"(하나 이상의 신에 대한 믿음), " poly gon"(다중 선분으로 이루어진 기하학적 모양, 예를 들어 오각형 과 육각형 ), " poly atomic"(여러 유형의 원자로 구성된 물질)에서처럼요.
전압원은 모두 다른 위상각(이 경우, 3개의 다른 위상각)에 있으므로 이것은 " 다중 위상" 회로입니다.
더 구체적으로 말하면, 이는 3상 회로 로 , 주로 대규모 전력 분배 시스템에 사용되는 종류입니다.
3상 시스템 대 단상 시스템
단상 시스템
동일한 부하 전압과 전력 용량의 단상 시스템에 비해 3상 전력 시스템의 장점을 살펴보겠습니다. 3개의 부하가 직접 병렬로 연결된 단상 시스템은 매우 높은 총 전류(83.33 x 3 또는 250 암페어)를 갖습니다. (아래 그림)
비교를 위해, 120 Vac 시스템에 10 Kw 부하 3개가 있으면 250 A를 소모합니다.
이렇게 하려면 3/0 게이지 구리선( 매우 큼!)이 필요하고, 천 피트당 약 510파운드이며, 상당한 가격표가 붙어 있습니다. 소스에서 부하까지의 거리가 1000피트라면, 이 작업을 하려면 반톤 이상의 구리선이 필요할 것입니다.
분할상 시스템
반면에 우리는 두 개의 15kW, 120V 부하로 분할 위상 시스템을 구축할 수 있습니다. (아래 그림)
분상 시스템은 120VAC 시스템에 비해 240VAC에서 125A의 절반의 전류를 소모합니다.
우리의 전류는 간단한 병렬 회로의 절반으로, 엄청난 개선입니다.
우리는 총 질량이 약 600파운드인 2게이지 구리선을 사용하여 소스와 부하 사이에 각각 1000피트씩 3회 연결하면 1,000피트당 약 200파운드를 계산할 수 있습니다. 그러나 각 부하가 120볼트만 받더라도 시스템에 240볼트가 존재한다는 증가된 안전 위험도 고려해야 합니다.
전반적으로 위험한 감전이 발생할 가능성이 더 큽니다.
3상 시스템
이 두 가지 예를 우리의 3상 시스템(위의 그림)과 대조해보면 그 장점이 아주 분명해집니다.
첫째, 도체 전류가 훨씬 적습니다(83.33 암페어 대 125 또는 250 암페어). 따라서 훨씬 더 얇고 가벼운 와이어를 사용할 수 있습니다. 우리는 1,000피트당 약 125파운드의 4번 게이지 와이어를 사용할 수 있으며, 이는 예제 회로에 대해 총 500파운드(각각 1,000피트 4회)가 됩니다.
이는 분상 시스템에 비해 상당한 비용 절감 효과를 제공하며, 시스템의 최대 전압이 더 낮다는 이점(208 대 240)도 있습니다.
아직 답이 나오지 않은 의문이 하나 있습니다. 위상각이 정확히 120° 차이가 나는 세 개의 AC 전압원을 어떻게 얻을 수 있을까요?
당연히 우리는 분상 시스템에서 한 것처럼 변압기나 교류 발전기 권선을 중앙 탭할 수 없습니다. 그렇게 하면 동상이거나 180° 위상이 다른 전압 파형만 나올 수 있기 때문입니다.
아마도 커패시터와 인덕터를 사용해 120°의 위상 변화를 만드는 방법을 알아낼 수 있을 겁니다. 하지만 그러면 그 위상 변화는 부하 임피던스의 위상 각도에도 따라 달라질 겁니다(저항성 부하를 용량성 또는 유도성 부하로 대체하면 모든 것이 달라질 겁니다!).
우리가 찾고 있는 위상 변화를 얻는 가장 좋은 방법은 소스에서 생성하는 것입니다. 아래 그림과 같이 회전 자기장이 기계의 원주 주위에 120° 간격으로 배치된 세 세트의 전선 권선을 통과하도록 전력을 공급하는 AC 발전기(교류 발전기)를 구성합니다.
(a) 단상 교류 발전기, (b) 삼상 교류 발전기.
3상 교류 발전기의 6개의 "극" 권선은 함께 연결되어 3개의 권선 쌍을 구성하며, 각 쌍은 다른 2개의 권선 쌍 중 하나와 위상각이 120° 이동된 AC 전압을 생성합니다.
단순화를 위해 3상 발전기 도면에서는 권선 쌍 사이의 상호 연결(단상 발전기의 경우 권선 1a와 1b 사이의 점퍼 와이어에 표시된 대로)이 생략되었습니다.
예시 회로에서 우리는 세 개의 전압 소스가 "Y" 구성(때로는 "스타" 구성이라고 함)으로 연결되어 있고 각 소스의 한 리드가 공통 지점(우리가 "중성" 도체를 부착한 노드)에 연결되어 있음을 보여주었습니다.
이 연결 방식을 표현하는 일반적인 방법은 아래 그림과 같이 권선을 "Y" 모양으로 그리는 것입니다.
교류 발전기 "Y" 구성.
"Y" 구성은 우리에게 열려 있는 유일한 옵션은 아니지만, 아마도 처음에는 이해하기 가장 쉬울 것입니다. 이 주제에 대해서는 이 장의 후반부에서 더 자세히 설명하겠습니다.
검토:
- 단상 전력 시스템 이란 교류 전압원(전압 파형)이 오직 하나뿐인 시스템을 말합니다.
- 분할 위상 전력 시스템은 서로 180° 위상이 이동된 두 개의 전압 소스가 있는 시스템으로, 두 개의 직렬 연결 부하에 전력을 공급합니다. 이 시스템의 장점은 안전상의 이유로 낮은 부하 전압을 유지하면서 더 낮은 도체 전류를 가질 수 있다는 것입니다.
- 다상 전력 시스템은 서로 다른 위상 각도에서 여러 전압 소스를 사용합니다(작동하는 전압 파형의 여러 "위상"). 다상 전력 시스템은 단일 또는 분할 위상 시스템보다 더 작은 게이지 도체를 사용하여 더 적은 전압으로 더 많은 전력을 공급할 수 있습니다 .
- 다상 전력 시스템에 필요한 위상이 변한 전압원은 여러 세트의 와이어 권선이 있는 교류 발전기에서 생성됩니다. 이러한 권선 세트는 원하는 각도로 로터 회전의 원주 주위에 간격을 두고 배치됩니다.