전기 상식 - 직류, 교류, 단상, 3상

[패러글라이딩 강사]

1. 전류, 전압, 전력

물질에 존재하는 (+)와 (-)성질을 띠는 입자들을 전하라고 합니다. 전하는 물질이 전기적 성질을 나타내는데 기본적인 역할을 합니다. (+)전하를 띠는 것은 원자핵, (-)전하를 띠는 것은 전자이며, 같은 전하끼리는 서로 밀어 내고, 다른 전하끼리는 서로를 끌어당기는 성질을 가집니다. 전하의 단위는 쿨롱(C)이며, 1C는 6.25×10²³개의 전자 수를 뜻합니다. 전하의 단위로 C (쿨롱)을 사용하는데 전자 6.24150962915265×10¹⁸개의 전하 크기가 1 [C] 입니다.

전기를 띤 입자, 즉 전하의 이동은 전기의 흐름인 전류를 만들어 냅니다. 전기에 대해 많은 것이 밝혀지지 않았던 시절, 과학자들은 전류는 (+)극에서 (-)극으로 흐른다고 정의하였습니다. 그러나 전자의 발견을 통해 실제로 이동하는 것은 (-)전하를 띠는 전자이며, 전자는 (-)극에서 (+)극으로 이동한다는 것을 알게 되었습니다.

  전류는 단위 시간 내에 얼마나 많은 전하가 지나가느냐를 나타내는 값입니다. 예를들어 전선의 한 단면에 1초 당 9[C]의 전하가 지나간다면 "이 전선엔 현재 9[C/sec]의 전류가 흐르고 있다!" 라고 말 할 수 있습니다. 그리고 1초 당 1 [C]의 전하가 흐를 때 전류 크기를 1 [A]로 정의합니다. 그러니까
1 [A] = 1 [C / sec] 입니다.

  전압이란 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것처럼 전하는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 이때 전위의 차이가 전압이다. 낮은 곳보다 높은 곳에서 떨어지는 물이 더 많은 에너지를 갖고 있듯이, 전압이 클수록(전위차가 클수록) 더 많은 전기에너지를 갖고 있다. 그리고 높이 차이가 없으면 물이 흐르지 않듯이 전압이 0이라면 전류가 흐르지 않는다.

전압의 단위
전압의 크기를 나타내는 단위는 V(볼트)다. 1V는 1C(쿨롱)의 전하가 두 점 사이에서 이동하였을 때에 하는 일이 1J(줄)일 때의 전위차이다.

* 1J(줄)은 1N(뉴톤)의 힘으로 물체를 1m 움직이는 동안에 하는 일과 그 일로 환산할 수 있는 양에 해당하며, 1W의 전력을 1초간에 소비하는 일의 양과 같다. 1J은  1N의 힘으로 1m 이동한 에너지로 정의되는데, 지구상에서 평상시에 1kg은 약 9.8 N의 힘이므로, 수직으로 약 10.2cm 움직이는 에너지가 됩니다. 9.8 N=1kgf, 1kgf는 1kg 의 질량을 가진 물체가 지구의 만유인력에 의해 받는 힘 즉, 중력가속도에 의해 받은 힘이고, 1N(뉴톤)은 1kg의 물체를 1m/s2 까지 가속시키는데 필요한 힘, 질량 1㎏의 물체에 힘을 주어 1m/s²의 가속도를 생기게 할 수 있는 힘입니다. kgf와 N은 둘 다 힘의 단위.

  전력은 단위 시간 내에 얼마나 많은 에너지를 소모하느냐를 나타냅니다. 전력의 단위는 흔히 와트(W) 또는 킬로와트(kW)를 사용하며, 1W는 1A(암페어)의 전류가 1V(볼트)의 전압이 걸린 곳을 흐를 때 소비되는 전력의 크기다.

예를들어 배터리에 전기 에너지가 저장되있을 때 소비전력이 크다는 말은 곧 저장된 전기를 빠르게 소모한다라는 말과 동일하다는 뜻이죠. 에너지의 단위는 [J : 줄], [Wh : 와트.시], [cal : 칼로리] 등이 존재하는데 1초 당 1 [J]의 에너지를 소모할 때의 전력을 1 [W]라고 합니다. 전력과 전력량을 헷갈리시는 경우가 많은데 전력량은 전기에너지의 총량을 의미하고 전력은 에너지를 소모하는 속도를 나타내는 단위이니 혼동하시면 안 됩니다. 1 초마다 1 [J]의 전력량을 소비할 때의 소비 전력, 즉 소비 속도가 바로 1 [W]인 것입니다. 참고로 1 [Wh]는 1 [W]의 전력소모 속도로 1시간 동안 에너지를 사용할 때 소모하는 에너지의 양이며

1시간 = 3600 초니까 1 [Wh] = 3,600 [J] 입니다. * 1J의 에너지는 1W의 전력으로 1초동안 쓰는 전기에너지이다.

  전기의 경우 두 지점 간의 전압과 흐르는 전류를 곱하면 전기에너지 소모속도, 즉 전력이 됩니다.
즉, <전압 × 전류 = 전력>입니다. 또한 1 [V]의 전압, 1 [A]의 전류 조건에서 1 [W]를 소모하게 됩니다.
1 [W] = 1 [V] × 1 [A]

2. 직류와 교류

직류(直流)란 "시간이 지나도 전류의 크기와 방향이 변하지 않는 전류"로 정의되있는데, 간단하게 설명하면 "한 쪽 방향으로만 흐르는 전류"입니다. 사전적으론 크기와 방향이 모두 일정한 전류를 직류로 정의하고 있지만 실질적으론 크기가 좀 변한다 해도 전류가 흐르는 방향만 일정하면 직류로 분류합니다. 대표적인 직류 전원이 바로 배터리입니다. 항상 + 단자에서 - 단자로 전류가 흐르죠.
(원래는 -단자에서 전자가 나와 + 단자로 흘러가는데, 한 쪽 방향으로 - 전하가 이동하는 것과 반대 방향으로 + 전하가 이동하는 것이 물리적으로 동일하기 때문에 그냥 +단자에서 +전하가 나와 - 단자로 흐른다, 이렇게 말하고, 또 그렇게 계산합니다)
  일반적으로 직류 시스템의 경우 +, -가 항상 정해져있기 때문에 단자에 +, - 표시가 되어 있습니다. 그리고 극성을 반대로 연결하면, 예를들어 건전지를 반대로 연결하면 직류 모터는 반대 방향으로 돌고 전자제품은 역전압 대응 회로가 탑재되지 않은 이상 펑! 소리 또는 스파크와 함께 영영 운명하시게 됩니다.
  이와 달리 교류(交流)는 시간에 따라 크기, 방향이 지속적으로 변하는 전류를 뜻합니다. 마치 용수철을 당겼다가 놓았을 때 왼쪽, 오른쪽으로 왔다리 갔다리 하는 이미지를 떠올리시면 됩니다. 교류의 경우 어느 순간엔 왼쪽에서 오른쪽으로 전류가 흐르다가도 (왼쪽이 +, 오른쪽이 -) 곧 반대로도 전류가 흐르기 때문에 따로 극성을 구분하지 않습니다. 즉 연결선이 2개인 교류 장치라면 +, - 구분 없이 2개 단자에 맘대로 연결하시면 됩니다. 우리나라 가정에서 220[V] 콘센트가 대표적인 교류 전원입니다. 참고로 교류 하면 꼭 "주파수"라는 값이 따라오는데 주파수는 1초마다 몇 번의 주기가 반복되느냐를 나타냅니다. 즉 60 [Hz]의 교류전원이라 하면 1초동안 같은 패턴이 60번 반복되는 속도로 진동하는 전원을 뜻합니다. 당연히 왔다리(+), 갔다리(-) 합쳐서 패턴 한 번입니다.
  직류, 교류 모두 소비전력을 계산할 땐 전력 = 전압 × 전류 라는 공식으로 계산합니다. 보통
전력을 P (Power), 전압을 V (Voltage), 전류를 I (Intensity of current)로 표시해서
P = V × I   의 형태로 쓰는 공식이죠. 문제는... 직류의 경우 V, I가 대부분 일정해서 계산하기가 쉬운데 교류는 V, I가 계속 변하니 P도 덩달아 계속 변한다는 점입니다. 다행히 교류의 경우 같은 패턴( 패턴 1번을 1 주기라고 부릅니다 )이 반복되는 형태로 전기가 흐르니까 한 주기에 대한 평균값을 구해서 전력을 계산합니다. 참고로 최대 M, 최소 -M 까지 왔다갔다 하는 교류에서 부호를 무시한 뒤 1주기 평균 크기를 구하면 M÷1.414 , 계산하면 0.707 × M이 나옵니다. 여기서 0.707 × M을 "실효값"이라고 부르고 교류전력은 실효전압과 실효전류를 곱해서 구합니다. 한국 전원이 220[V]라고 하는데, 요 220이란 숫자도 실효값 (실효전압)이고 전기제품 명판에 나와있는 소비전류 역시 실효값입니다.

3. 단상과 3상

 일상생활에서 주로 접하게 되는, 단자가 2개인 일반 교류 전원이 바로 단상 교류 전원입니다. 상(Phase)이 1개 밖에 없는, 단일 상(Phase) 전원이라는 의미죠. 그럼 상(Phase)이 뭔지 알면 모든 문제가 해결될 것 같으니 위상을 설명해보겠습니다.
  먼저, 두꺼비집, 일명 분전반을 열어봅시다.

분전반. 일명 두꺼비집.

위에서 설명한 "교류"의 개념에선 선이 2개면 충분한데, 두꺼비 집을 열어보니 선이 뭔지 모르게 4개 씩이나 들어오고 있습니다. (R, S, T, N) 이 중에서 R, S, T 3개 선은 3상 선이고, N은 중성선이라고 하는 선입니다. 즉, 두꺼비 집에 들어오는 전원은 3상 교류 전원임과 동시에 선이 4개인 3상 4선식인 셈이죠.
  3상 전원은 쉽게 말해서 서로 다른 타이밍으로 왔다리 갔다리 하는 전원 세트라고 생각하시면 됩니다.

3상 전원

예를들어 주기가 3초인, 왔다리(+) 갔다리(-) 한 번을 3초에 걸쳐서 하는 3상 전원이 있다고 할 때
R상이 0초 때 +쪽 최대를 찍었다면 이후 1.5초 때 -쪽 최대를 찍고 다시 3초 때 +쪽 최대를 찍고 4.5 초 때 -쪽 최대를 찍고.... 이런 식으로 반복된다고 하겠습니다. 이 때 S 상은 R 상보다 1/3주기만큼 늦게 R상 모양을 따라해서 (1/3 주기 = 3초 ÷ 3 = 1초)
1초에 +최대, 2.5초에 -최대, 4초에 +최대...
이런 식으로 반복하게 됩니다. T 상은 S 상보다 1/3 주기 늦게 S상 모양을 따라하는데 S상이 R상보다 1/3 주기 늦으니까 T 상은 R 상보다 2/3 주기 늦게 같은 패턴을 반복하게 됩니다. 이런 식으로 위 그래프를 보면 R, S, T 각 상은 서로 1/3 주기씩 어긋난 타이밍으로 흐르지만 3개 상을 합쳐서 보면 서로가 균형을 이루게 되는데 이게 바로 3상 교류 전원입니다. 어? 그럼 중성선 N은 어디서 나오는 걸까요? 간단합니다.
  위에서 전압의 개념을 설명할 때, 높이와 마찬가지로 전압 역시 "두 점"이 있어야 성립한다고 말씀드렸습니다. 위 그래프에서 R (Phase 1), S (Phase 2), T (Phase 3) 3개 값이 나와있는데, R상 값의 경우
R상 단자와 N상 단자 간의 전압을 나타낸겁니다. R 단자에서 N 단자로 전류가 흐를 때 값이 + 인거고 N 단자 -> R 단자 이렇게 전류가 흐를 때 값이 - 인 식으로요. 같은 방식으로 S상 값은 S상 단자와 N상 단자 간에 걸리는 전압, T상 값은 T상 단자와 N상 단자 간에 걸리는 전압입니다. 이 때 <1개 상 ~ N상> 간 걸리는 전압을 한 상의 전압이라고 해서 "상 전압"이라 부릅니다. 반대로 R단자 ~ S단자, 또는 S단자 ~ T단자 와 같이 3상 중 2개 단자 간의 전압은 "선간 전압"이라고 부르고요. 3선 중 두 선 간의 전압이라는 의미죠. 참고로 선간전압의 경우 상전압보다 1.7배 정도 높게 나옵니다. 가정용 배전반에서 R-N, S-N, T-N 이렇게 찍었을 때 220[V] (실효값 기준)가 나오지만 실수로 R-S, S-T, T-R 이런 식으로 찍으면 380[V] (실효값 기준)로 너무 높은 전압이 나온다는 뜻이죠.

4. 가정 등 상용전원 분전반에서 단상 및 3상 연결하기

분전반. 일명 두꺼비집.

위에 있는 분전반 사진을 보시면서 이해하시면 좋을 것 같습니다. 일반 가정집을 기준으로 분전반엔 220 / 380 V 3상 4선식 전원이 들어옵니다. 220은 상전압 (R-N, S-N 및 T-N 간 전압)을, 380은 선간 전압 (R-S, S-T, T-R)을 의미합니다. R, S, T 3상 전원이 들어오니 "3상"이고, R, S, T, N 4개 선이 들어오니 "4선"입니다.
  상용 전원 콘센트는 "상 전압"을 사용합니다. 즉 분전반 사진에서 아래쪽 좌우 총 12개의 차단기처럼 두 단자 중 1개는 R,S,T 3상 중 하나에 연결하고 나머지 1개는 중성선 N 단자에 연결하면 됩니다.
  기화기처럼 전력을 대량으로 소모하는 전기 기구의 경우 선간 전압을 사용하기도 합니다. 기본적으로 R, S, T (일명 3상 단자), N, 접지(G 또는 GND로 표시) 총 5개까지 단자가 존재할 수 있는데 제품에 따라선 N이나 G 단자가 없을 수도 있습니다. 사용설명서에서 지시하는 방식으로 전원을 연결하면 됩니다. 이 때 3상 단자에 연결되는 전원은 R-S-T, S-T-R, T-R-S 모두 가능하나 반대로 R-T-S, S-R-T, T-S-R 과 같은 역상으로 연결하지 않는 것이 원칙입니다. (기화기의 경우 역상으로 연결해도 문제가 없지만 교류모터의 경우 역상으로 연결하면 회전방향이 반대가 됩니다)

질문 : 전압 3상3선과 3상4선에 궁금한게 있어요

220V 단상 3개를 120도 위상차를 주면 전압은 루트3배가 커집니다. 즉, 3상4선(Y결선) 에서 선간전압이 380V가 나오는 이유죠.

그런데 3상3선(델타결선)의 선간전압은 220V가 나옵니다. 그 이유가 R-S 선간전압을 놓고 봤을때 Y결선은 R-S간 두개의 전압원, 델타결선은 R-S간 하나의 전압원이기 때문인가요?

즉 와이결선은 선간전압 R-S간 두개의 전압원이고, 델타결선은 선간전압 R-S간 하나의 전압원이다. 그렇기때문에 와이의 선간전압은 380V 델타의 선간전압은 220V인가요?

그리고, 3상3선식와 3상4선식이 사용되어지는 곳과 그 이유는 뭘까요? 

마지막으로 Y결선에서 220V와 380V과 왜 나오는지도 알고 있습니다.

(제가 궁금한건 델타결선과 Y결선의 차이를 묻는 겁니다.)

위 그림1, 2를 보면 변압기 A, B, C를 연결한 모습입니다. 교류는 시간 또는 위상각에 따라서 극성과 전압의 크기가 변화합니다.

그래서 극성에 대한 표기를 하지 않습니다만, 변압기내의 코일의 감은 방향에 따라서 변압기간에 감극성이 될 수도 있고 가극성이 될 수도 있습니다. 그래서 편의상 코일의 감긴 방향에 대해서 +극과 -극으로 구분을 합니다.

그림1은 스타결선으로 각각의 변압기 코일방향의 -극을 묶어 놓았습니다. 변압기 상호간을 감극성으로 결선이 돼 있습니다.

이때 각각의 변압기 위상이 동상이라면선 R-S 간의 전압은 0V입니다.(S-T, T-R간의 전압도 마찬가지입니다.)

변압기 대신 건전지를 위와 같이 하여도 선간전압은 항상 0V 이겠지요?

그러나 각각의 변압기 위상이 동상이 아니라 120°의 위상차를 가지고 있기에선 R-S 간의 전압은 실효값 380V입니다.(S-T, T-R간의 전압도 마찬가지입니다.) 실효값 380V는 시간(위상)에 따라서 순시값 기준으로 1/60초 동안에 0V ~ +539V ~ 0V ~ -539V 이렇게 변화합니다.

변압기 1대의 실효값은 220V이고, 최댓값은 약 311V입니다. 스타결선에서 A변압기의 위상이 30°일 때, B변압기의 위상은 150°입니다. 감극성으로 연결된 변압기A, B의 선 R-S간의 전압은 두 변압기의 순시값의 차가 됩니다. (가극성일 경우에는 순시값의 합)

A변압기 순시값 = 311sin30° = 약155.5V(sin30°는 0.5)

B변압기 순시값 = 311sin150° = 약155.5V(sin150°는 0.5)

두 변압기 벡터차는 155.5V - 155.5V = 0V(실효값 0V)

이번에는 위의 경우에서 변압기의 위상이 90°회전된 상태를 살펴보겠습니다.

A변압기의 위상이 120°가되고, B변압기의 위상은 240°입니다.

A변압기 순시값 = 311sin120° = 약269.5V(sin120°는 0.866025)

B변압기 순시값 = 311sin240° = 약-269.5V(sin240°는 -0.866025)

두 변압기 벡터차는 269.5V -(-)269.5V = +539V(실효값 +380V)

이런 식으로 계속해서 90°위상을 더해 가면 순시값은 1/60초 동안 0V ~ +539V ~ 0V ~ -539V 이렇게 변화합니다.

스타결선에서 변압기는 감극성으로 결선이 되어 있으므로 두 변압기간의 전압은 벡터차로 계산합니다.

이번에는 그림2를 볼까요?

극성의 방향이 꼬리에 꼬리는 문 것처럼 가극성으로 연결이 되었습니다. 건전지를 이처럼 연결했다면 바로 쇼트가 되어서 위험한 상태가 됩니다. 또한 변압기 3대의 위상이 동상이라면 마찬가지로 쇼트가 되어서 위험한 상태가 됩니다.

그런데 각각의 변압기는 120°의 위상차를 갖고 있어서 가극성 연결임에도 쇼트는 일어나지 않습니다.

혹시, 3대의 변압기중 전압이 조금이라도 차이나는 것이 있다면 가극성이기 때문에 변압기 3대를 회전하는 전류가 생깁니다.

이번에도 변압기가 위와 같은 위상일 때 나타나는 전압을 살펴보겠습니다.

변압기 1대의 실효값은 220V이고, 최댓값은 약 311V입니다.

순시값은 1/60초 동안 0V ~ +311V ~ 0V ~ -311V 이렇게 변화합니다.

델타결선에서도 변압기의 위상이 30°일 때, B변압기의 위상은 150°입니다.

가극성으로 연결된 변압기A, B의 선 R-T간의 전압은

두 변압기의 순시값의 합이 됩니다. (감극성일 경우에는 순시값의 차)

A변압기 순시값 = 311sin30° = 약155.5V(sin30°는 0.5)

B변압기 순시값 = 311sin150° = 약155.5V(sin150°는 0.5)

두 변압기 벡터합은 155.5V +155.5V = 311V(실효값 220V)

C변압기 순시값 = 311sin270° = 약-311V(sin270°는 -1, 실효값 -220V)

와우! 변압기A, B의 벡터합이 +220V인데, 변압기C는 -220V값으로 나타나네요!

여기서 변압기의 방향을 자~알 보셔야 합니다.(밑줄 쫙!)

변압기A, B의 벡터합이 +220V인데, 선R을 기준으로 선T의 전압이 +220V입니다.

변압기C는 선T를 기준으로 선R의 전압이 -220V입니다.

변압기C를 거꾸로 본다면 선R을 기준으로 선T의 전압이 +220V입니다.

변압기A, B의 벡터합은 선R을 기준으로 선T의 전압이 +220V

변압기C는 선R을 기준으로 선T의 전압이 +220V입니다.

변압기A, B의 벡터합과 변압기C는 모두 +220V로

마치 병렬로 연결된 것과 같습니다.

변압기C를 거꾸로 보면 위상도 동상이 되어버렸습니다.

그래서 변압기 3대에서 회전하는 전류가 발생하지 않습니다.

이때 변압기C를 떼어내도 변압기A, B의 벡터합의 위상이 변압기C와 같으므로 변압기A, B 두 대만으로도 3상전원을 만들어냅니다.

이것이 바로 V결선입니다. 스타결선에서 1대의 변압기라도 고장이 난다면 3상전원을 사용할 수 없지만, 델타결선에서는 1대의 변압기가 고장나면, 고장난 변압기를 떼어내도 과부하가 걸리지 않는 범위 내에서 3상전원을 계속해서 사용할 수 있는 장점이 있습니다.

계속해서 위의 경우에서 변압기의 위상이 90°회전된 상태를 살펴보겠습니다.

A변압기의 위상이 120°가되고, B변압기의 위상은 240°입니다.

A변압기 순시값 = 311sin120° = 약269.5V(sin120°는 0.866025)

B변압기 순시값 = 311sin240° = 약-269.5V(sin240°는 -0.866025)

두 변압기 벡터합은 269.5V +(-)269.5V = 0V(실효값 0V)

이런 식으로 계속해서 90°위상을 더해 가면 순시값은 1/60초 동안 220V ~ 0V ~ -220V ~ 0V 이렇게 변화합니다.

델타결선에서 변압기는 가극성으로 결선이 되어 있으므로 두 변압기간의 전압은 벡터합으로 계산합니다.

스타결선에서는 2가지의 전압원을 사용할 수 있는 장점이 있고, 고전압 소전류의 부하에 적합합니다.

델타결선에서는 비상시 2대만으로도 3상전원을 사용할 수 있는 장점이 있고, 저전압 대전류 부하에 적합합니다.

120°의 위상차를 가지는 변압기3대를 결선하는 방법에 따라서 감극성에서는 √3배의 전압이 만들어지고, 가극성에서는 두 대의 변압기의 전압이 합해져도 전압은 커지지 않습니다. 이렇게 삼각함수의 관계를 이용하여 3상의 전원을 만들어내기 위해서는 각각의 변압기가 120°라는 위상차를 주어야 합니다.

각 변압기의 위상 참고

또 다른 답변

Y결선 :  중성점이 있어서 선간전압은 상전압에 루트3배가 됩니다..그래서 220 *루트3하면 380 이 나옵니다.

Y결선에서 선간전압은 중성점을 통과한 두개의 상의 벡터합이므로 루트 3배 해주면 되요..

델타결선은 상전압이나 선간전압이나 똑같죠...

결론

중성점이 있으면 와이결선

중성점이 없으면 델타결선

중성점이 있으면 3상 4선식으로 활용...중성점에서 빼낸 선이 중성선...그러므로 선이 4가닥(선)

중성점이 없으면 3상 3선식

3상3선식은 그냥 일반 동력용...공장이나 특수용  (모터 전원용)

3상4선식은 220,380 모두 이용할 수 있으니 용도가 더 광범위합니다...220은 일반 구내용, 380은 동력용 이용