3상

3상 교류 송전

3상(Three-phase)은 3개의 전선에 3개의 위상을 가진 전기가 들어오는 것을 말한다. 한국의 모든 송전은 3상 교류 형태로 이루어진다.

'상'이란 '위상' 'Phase'로도 불리며 파형의 1주기에 관해서 0도에서 360도까지로 주소를 붙여준 것을 말한다.

한국에서 사용하는 가정용 단상 전력이 220V인 것에 비해 3상은 그 루트 3배인 380V다. 일반 가정 집에서는 220V의 전력으로 충분하지만 산업 현장에서 동력 모터를 가동하기 위해서는 220V로 전력이 부족하기 때문에 380V의 전원을 사용한다. 3상의 선간 전압은 380V이고 세개의 상 중 한 개의 상과 중성성 N상의 전압은 220V이다. 세개의 상 간에는 120도의 위상차가 존재한다. 그것을 벡터로 계산하면 한 개의 상은 전체 상의 루트 3분의 1이 된다. 3상은 산업 현장의 동력 모터 뿐만 아니라 일반 건물 분전반에서도 사용된다. 3상 전류는 말 그대로 전류의 상이 3개이다. 상이 3개 이면 전력 공급의 안정성을 확보 할 수 있다.

개요

단상은 전기에너지를 공급하기 위한 두가닥의 전선을 최소한의 조건으로 전기적 위치 에너지를 이 두가닥의 전선에 실어 보내는 방식이며 가정용 단상 전기는 이 두가닥으로 공급된 전기 에너지를 전등 또는 가전 제품에 연결하여 사용하는 것이다. 3상은 전기적 위치 에너지를 위상차가 다른 3가닥(또는 4가닥)의 전선으로 전기 에너지를 공급하는 방식으로 표현할 수 있다. 즉 단상은 두 가닥의 전선으로 공급된다. 그러나 3상은 기본적으로 세 가닥의 전선으로 공급된다. 즉 세가닥 이란 두 가닥의 전선에 50%의 할증을 한 것이다.

단상 전력의 공식: P2 = V x I x cosφ

삼상 전력의 공식: P3 = √3 x V x I x cosφ

여기서 V = 전압, I = 전류, cosφ = 역률

단상과 마찬가지로 3상 전력의 공식은 전압과 전류를 곱한 값에 역율(Power Factor, 코사인 파이로 읽는다, 전압과 전류의 위상차의 Cosine 값)을 곱한 것으로 구한다. 그러나 제일 앞에 붙은 √3에 주목하자. √3은 근사값으로 1.73에 해당한다. 단상과 3상 회로가 동일한 전압, 전류의 경우 삼상은 50%의 전선 할증으로 1.73배 즉 73%의 전력이 증가하였으므로 전선 수의 증가 분 50%를 빼고도 23%의 전력이 추가로 증가 되었다. 이것이 바로 단상과 삼상의 효율의 차이를 증명하는 것이다. 3상은 단상보다 전력 효율이 높다. 그러므로 대 전력을 필요로 하는 공장 또는 대형 상업 시설 등에 적합하다.

3상을 사용하는 이유

• 일정 출력이기 때문이다. 단상은 전압이 사인파형으로 오르락 내리락 하므로 전달되는 전력이 사인파이다. 그러나 3상은 전력이 일정하다.

• 전기기계가 대부분이 동력용이기 때문이다. 3상은 모터의 기동토크를 특별한 장치 없이도 원하는 방향으로 움직일 수 있게 해 준다. 단상의 경우 기동토크가 없기 때문에 원하는 방향으로 기동하기 위해서는 캐패시터를 달거나 인버터를 사용해야 한다.

• 단상에 비해 송배전이 경제적으로 이루어진다. 멀리 있는 발전소에서부터 일반 공장이나 가정으로 오는 동안의 손실과 시설비를 줄일 수 있다. 3상 전력은 매 순간 흐르는 세 전선의 전체 전류의 합이 0이기 때문에 쓰고 남은 전력이 돌아가는 전선이 필요하지 않다. 따라서 세가닥이면 충분하다.

한가닥을 더 연결하여 3상을 만들면 단상(두가닥)에 비해 구리를 50% 늘려 73%의 전력을 더 전달 할 수 있으며 같은 전력일 때는 단상으로 전송 할 때의 75%만큼의 구리선이면 충분하다.

3상 시스템의 구성

• 3상 전원 : 3개의 Y 결선된 정현파 전압원, 3개의 Δ 결선된 정현파 전압원
• 3상 전송선로 : 3 또는 4개의 선(Wire)
• 3상 부하 : 3개의 Y 결선된 부하, 3개의 Δ 결선된 부하

3상 교류

3상 전원(기전력) 등가 표시

3상 순시값

3상 페이저

대칭/평형 조건

• 각 기전력의 크기, 주파수, 파형이 같음
• 위상차 만 각각 2/3 π (120˚) 씩 차이남

특징

• 단지 4개 선 만 필요

• 개별적으로, 3개 발전기로부터 3개 부하에 전력을 공급하기 위해,
• 단지 4개 선 만 필요 ☞ 3상 결선 참조

• 일정한 전력 흐름

• 순시전력 총합이 항상 일정 (시간에 관계없이 항상 일정)

• 단상 보다 맥동이 적음

• 3상 전동기는 일정한 회전력을 받아 진동,소음이 적게 됨

• 변환 용이

• 적당한 변압기에 의해, 2상,6상,12상 전력으로 변환 용이

• 대량 수송

• 고출력 대용량의 전력 수송 능력

표현

• 3상 전원(기전력) 등가 표시
• 3상 순시값
• 3상 페이저
• 3상 상순 (Phase Sequence) : va,vb,vc,... 순으로 최대치에 도달
• 3상 순시전력 : p(t) = 3 (VmIm/2)cosθ [W]

• 시간에 관계없이 항상 일정
• 일정 전력 흐름

3상 교류 발전

발전소에서 만들어 지는 전기는 3상이다.

3 뭉치의 코일을 어떤 축을 중심으로 등 간격으로 배치한다. 즉 120도 간격이 될 것이다. 그 축의 중심에 막대자석을 놓고 돌린다고 가정할 때 1번 코일 하나만 생각한다. 자석의 N극이 1번 코일에 접근함에 따라 전압(플러스 전압이라고 가정하자)이 서서히 증가하여 코일의 중심에 올 때 1번 코일에 최고의 전압이 유기 될 것이며 자석이 중심에서 멀어지면 유기되는 전압이 점점 작아질 것이며 자석과 코일의 각도가 90도가 되는 지점에서 유기 전압은 0 이 되고 S극이 서서히 다가옴에 따라 마이너스 전압이 서서히 증가하여 최고점에 이르렀다가 서서히 감소할 것이다.

2번 및 3번 코일을 동시에 고려하면 모든 코일에서 발생하는 전압은 동일한 형상으로 그리며 시간적 간격(120도)만 다르게 된다. 아래의 그림은 시간에 따른(가로축) 각 상(적, 청, 흑) 전압의 변화(세로 축)를 그린 것이다.

 

이것이 간단히 설명한 삼상 교류 발전의 원리이다.

• 각 코일에 유기되는 전압의 변화는 Sine 곡선을 그린다.
• 각 코일에 발생되는 최고 전압은 각기 120도의 시간차가 있고 자석의 회전 방향에 따라 코일에 유기 되는 전압은 순서가 있다(보통 회전 방향에 따라

각 상을 순서에 따라 A, B, C 또는 R, S, T상 이라고 칭한다). 이것을 상회전 이라고 한다.

3상 4선식

저압을 만드는 변압기의 2차측을 결선하는 방식에는 Y 결선 방식과 Δ(Delta 라고 읽는다) 결선 방식이 있다.

즉, 세그룹의 코일에서 각각 하나의 단자를 인출하고 나머지 3선을 연결하는 방식 중에 한데 묶거나(Y 결선) 다른 코일의 반대측 단자에 연결하는(Delta 결선) 방식이 있다.

Y 결선 방식에서 나머지를 모두 연결한 지점을 중성점(흔히 "N 상" 이라고 말하나 정확히 말해서 Phase를 의미하는 상은 아니므로 중성점으로 불러야 한다) 이라고 하는 데 이 연결 부분을 동시에 공급하는 경우 삼상 4선식이라고 한다.

보통 공장이나 상업 시설 등에 적용되는 방식으로서 대 전력을 사용할 수 있는 3상 380볼트 또는 중성점과 각 상을 연결하여 일반적인 단상 220볼트를 얻을 수 있는 우리나라의 표준 저압 배전 방식 중의 하나이다.

참고자료

• 〈3상전력〉, 《위키백과》
• 전기통신소방공사, 〈전기 단상(1상) 과 삼상(3상) 의 차이 설명〉, 《티스토리》, 2020-05-28
• 차재복, 〈3상〉, 《케이티월드》, 2021-01-30

같이 보기

• 전기
• 단상
• 교류

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