3상 와이(Y) 연결
처음에 우리는 일반적으로 "Y"(또는 "스타") 구성으로 알려진 3개의 전압원을 연결하여 3상 전력 시스템 이라는 개념을 탐구했습니다 .
이 전압원 구성은 각 소스의 한 면을 연결하는 공통 연결 지점이 특징입니다. (아래 그림)
3상 "Y" 연결은 3개의 전압 소스가 공통점에 연결됩니다.
각 전압원을 코일 와이어(교류 발전기 또는 변압기 권선)로 표시한 회로를 그리고 약간 재배열하면 아래 그림에서 "Y" 구성이 더 명확해집니다.
3상 4선 "Y" 연결은 "공통" 4번째 전선을 사용합니다.
전압원(권선)에서 부하로 이어지는 3개의 도체를 일반적으로 선 이라고 하며 , 권선 자체를 일반적으로 상 이라고 합니다 .
Y 연결 시스템에서는 중간의 접합 지점에 중성선이 연결될 수도 있고 아닐 수도 있습니다(아래 그림 참조). 하지만 앞서 설명한 대로 3상 부하의 한 요소가 고장 나서 개방되는 경우 잠재적인 문제를 완화하는 데 확실히 도움이 됩니다.
3상 3선 "Y" 연결은 중성선을 사용하지 않습니다.
3상 시스템의 전압 및 전류 값
3상 시스템에서 전압과 전류를 측정할 때는 측정 위치를 구체적으로 지정해야 합니다 .
라인 전압은 균형 3상 시스템에서 두 개의 라인 도체 사이에서 측정된 전압의 양을 말합니다. 위의 회로에서 라인 전압은 약 208볼트입니다.
상전압은 평형 3상 전원 또는 부하에서 임의의 한 구성 요소(전원 권선 또는 부하 임피던스 ) 에서 측정된 전압을 말합니다
위에 표시된 회로의 경우 위상 전압은 120볼트입니다. 라인 전류 와 위상 전류라는 용어는 동일한 논리를 따릅니다. 전자는 모든 한 라인 도체를 통과하는 전류를 나타내고, 후자는 모든 한 구성 요소를 통과하는 전류를 나타냅니다.
Y-연결된 소스와 부하는 항상 상 전압보다 큰 선 전압을 갖고, 선 전류는 상 전류와 같습니다. Y-연결된 소스 또는 부하가 균형을 이룬 경우, 선 전압은 상 전압에 3의 제곱근을 곱한 것과 같습니다.
그러나 "Y" 구성은 3상 전압원 또는 부하 요소를 연결하는 데 유일하게 유효한 구성은 아닙니다.
3상 델타(Δ) 구성
또 다른 구성은 같은 이름의 그리스 문자(Δ)와 기하학적으로 유사하기 때문에 "델타"로 알려져 있습니다. 아래 그림에서 각 권선의 극성을 주의 깊게 살펴보세요.
3상 3선 Δ 연결에는 공통점이 없습니다.
언뜻 보기에 이와 같은 세 개의 전압원이 단락 회로를 생성하고 전자가 삼각형 주위로 흐르는 것처럼 보이며, 이를 억제하는 것은 권선의 내부 임피던스뿐입니다.
그러나 이 세 가지 전압원의 위상각으로 인해 이는 사실이 아닙니다.
델타 연결에서의 키르히호프의 전압 법칙
이를 빠르게 확인하는 한 가지 방법은 키르히호프의 전압 법칙을 사용하여 루프 주변의 세 전압이 합산되어 0이 되는지 확인하는 것입니다. 합산되어 0이 되면 해당 루프 주변으로 전류를 밀어낼 수 있는 전압이 없으므로 순환 전류가 없습니다.
위쪽 감기부터 시작하여 시계 반대 방향으로 진행하면 KVL 표현식은 다음과 같습니다.
실제로 이 세 벡터 양을 합하면 0이 됩니다. 이 세 전압원이 순환 전류를 발생시키지 않고 루프에서 함께 연결될 수 있다는 사실을 확인하는 또 다른 방법은 한 접합 지점에서 루프를 열고 브레이크에 걸리는 전압을 계산하는 것입니다 . (아래 그림)
개방 Δ의 전압은 0이어야 합니다.
오른쪽 권선(120V ∠ 120°)에서 시작하여 시계 반대 방향으로 진행하면 KVL 방정식은 다음과 같습니다.
실제로 끊어진 부분에는 전압이 0이 되므로 해당 연결이 완료되면 삼각형 권선 루프 내부에 전류가 흐르지 않습니다.
Δ 결선의 3상 전압원은 순환 전류로 인해 타버리지 않는다는 것을 확인했으므로, 이를 3상 회로의 전원으로서 실제적으로 사용하는 것에 대해 알아보겠습니다.
Δ 회로에서는 각 쌍의 전선이 단일 권선에 직접 연결되므로 선간 전압은 상 전압과 같습니다.
반대로, 각 전선은 두 권선 사이의 노드에 부착되므로 전선 전류는 합쳐지는 두 상 전류의 벡터 합이 됩니다.
놀랍지 않게도 Δ 구성에 대한 결과 방정식은 다음과 같습니다.
델타 연결 예제 회로 분석
이것이 예제 회로에서 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다. (아래 그림)
Δ 소스의 부하는 Δ로 배선됩니다.
각 부하 저항이 소스의 해당 위상 권선에서 120볼트를 수신하면 이 회로의 각 위상의 전류는 83.33암페어가 됩니다.
델타 3상 시스템의 장점
따라서 이 3상 전력 시스템의 각 선 전류는 144.34 암페어로, 앞서 살펴본 Y 결선 시스템의 선 전류보다 상당히 더 큽니다.
3상 전력의 모든 이점이 사라진 것이 아닐까 하는 의문이 들 수도 있습니다. 도체 전류가 너무 많아서 더 두껍고 비싼 전선이 필요하게 되었으니까요.
답은 '아니요'입니다. 이 회로는 3개의 1번 게이지 구리 도체가 필요하지만(소스와 부하 사이의 거리가 1000피트일 때 전체 시스템에 약 750파운드의 구리가 필요함), 동일한 전압(120볼트 도체 간)에서 동일한 전력(30kW)을 전달하는 단상 시스템에 필요한 1000파운드 이상의 구리보다 여전히 적습니다.
Δ-연결 시스템의 뚜렷한 장점 중 하나는 중성선이 없다는 것입니다. Y-연결 시스템의 경우, 위상 부하 중 하나가 개방(또는 꺼짐)되는 경우 부하의 위상 전압이 변경되지 않도록 중성선이 필요했습니다.
Δ-연결 회로에서는 이는 필요하지 않습니다(심지어 가능하지도 않습니다!).
각 부하 위상 요소가 해당 소스 위상 권선에 직접 연결되면 부하 요소의 개방 고장에 관계없이 위상 전압이 일정해집니다.
아마도 Δ-연결 소스의 가장 큰 장점은 내결함성일 것입니다.
Δ 연결 3상 전원의 권선 중 하나가 부하 전압이나 전류에 영향을 주지 않고 개방될 수 있습니다(아래 그림 참조)!
소스 권선에 고장이 발생하더라도 선간 전압은 여전히 120V이고 부하 위상 전압도 여전히 120V입니다. 유일한 차이점은 남아 있는 작동 소스 권선에 흐르는 추가 전류입니다.
Δ-연결 소스에 대해 소스 권선이 개방으로 실패하는 유일한 결과는 나머지 권선의 위상 전류가 증가하는 것입니다. 이 결함 허용 범위를 아래 그림에서 개방 소스 권선이 있는 Y-연결 시스템과 비교해보세요.
개방형 "Y" 소스 권선은 부하에 연결된 Δ의 두 부하의 전압을 절반으로 줄입니다.
Δ 연결 부하의 경우 저항 중 두 개는 전압이 감소하는 반면 하나는 원래 회선 전압인 208을 유지합니다. Y 연결 부하는 Y 연결 소스에서 동일한 권선 고장으로 인해 훨씬 더 나쁜 운명을 겪습니다(아래 그림).
"YY" 시스템의 오픈 소스 권선은 두 부하의 전압을 절반으로 줄이고 하나의 부하를 완전히 손실합니다.
이 경우 두 개의 부하 저항은 전압이 감소하는 반면 세 번째는 공급 전압을 완전히 잃습니다! 이러한 이유로 신뢰성을 위해 Δ-연결 소스가 선호됩니다.
그러나 이중 전압이 필요하거나(예: 120/208) 더 낮은 전류를 선호하는 경우 Y 연결 시스템이 가장 적합한 구성입니다.
검토:
- 3상 전원 또는 부하의 세 지점에 연결된 도체를 선 이라고 합니다 .
- 3상 전원 또는 부하를 구성하는 세 가지 구성 요소를 상(phase) 이라고 합니다 .
- 선간전압 은 3상 회로의 두 선 사이에서 측정된 전압입니다.
- 상전압 은 3상 전원 또는 부하의 단일 구성 요소에서 측정된 전압입니다.
- 선전류 는 3상 전원과 부하 사이의 임의의 한 선을 통해 흐르는 전류입니다.
- 상전류는 3상 전원이나 부하를 구성하는 임의의 한 구성 요소를 통과하는 전류입니다.
- 균형 잡힌 "Y" 회로에서 선 전압은 위상 전압에 3의 제곱근을 곱한 값과 같고, 선 전류는 위상 전류와 같습니다.
- 평형 Δ 회로에서는 선 전압은 위상 전압과 같고, 선 전류는 위상 전류에 3의 제곱근을 곱한 것과 같습니다.
- Δ-연결 3상 전압 소스는 Y-연결 소스보다 권선 고장 시 더 큰 신뢰성을 제공합니다. 그러나 Y-연결 소스는 Δ-연결 소스보다 적은 라인 전류로 동일한 양의 전력을 공급할 수 있습니다.