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교류 (전기)
교류(交流, alternating current, AC)는 시간에 따라 주기적으로 크기와 방향이 변하는 전류이다. 교류 전류를 사용하는 전압을 교류 전압이라고 한다. 방향이 일정한 직류와는 다르게 교류는 전하의 방향, 크기가 계속 바뀌기 때문에 +, - 단자를 구별하지 않는다. 교류는 19세기 웨스팅하우스에 근무하던 니콜라 테슬라가 대부분 고안하였다. 회전운동으로 생산되는 전기는 전부 교류라고 보면 된다. 직류 발전기의 경우도 일단 교류를 출력시킨 다음 그 교류 전기의 한쪽의 방향을 바꾸어 직류로 변환하는 구조이다. 현재 전기의 발전, 송전, 사용 등은 교류가 이용되고 있으나 전자제품들은 대부분 직류가 이용되고 있다. 직류는 시간에 따라 전력의 변화가 없기 때문에 회로를 설계하고 해석하는데 훨씬 효율적이기 때문이다.
개요
전기의 흐름, 즉 전류를 크게 직류와 교류로 나눌 수 있다. 교류 현상을 처음으로 발견한 것은 마이클 패러데이이며, 교류 발전기 고안자는 니콜라 테슬라가 아니라 그에 비해 잘 알려지지 않은 프랑스의 과학자 루시앙 골라르드(Lucien Gaulard)와 영국의 존 기브스(John Gibbs). 테슬라는 조지 웨스팅하우스와 함께 이걸 실용적인 목적으로 발전시키는 데 지대한 공헌을 했다.
교류는 시간에 따라 흐르는 전류의 방향과 크기가 바뀌는 경우를 지칭하는데, 교류발전기를 이용하여 인위적으로 전기를 만드는 경우에 대부분 사인파 형태로 주기적으로 생성된다. 오른쪽 그림의 그래프는 교류의 시간에 따른 크기와 부호를 나타낸다. 부호에 따라 대칭이므로 양극과 음극을 구별하는 것이 의미가 없으므로, 전기 기구의 전원에 연결된 플러그의 두 개의 단자를 아무렇게나 콘센트에 꽂아도 된다. 교류전압의 기호를 오른쪽 그림에 나타내었다.
교류발전기에서 자연스럽게 교류 전기가 발생하므로, 직류가 아닌 교류의 전기를 산업체와 가정에 공급하고 직류가 필요한 전자 제품의 경우 각자의 필요에 따라 제품에 딸린 정류기를 거쳐 직류로 변환하여 이용하도록 하고 있다. 우리나라의 경우 가정용 전기는 전압 220V, 진동수 60 Hz으로 통일하였으나, 다른 나라들은 전압 110 V, 진동수 50 Hz를 표준으로 택하기도 한다. 또한 가정용으로는 주로 단상(single phase)의 전기가 공급되는 반면, 산업용으로는 삼상(triphase)도 공급되고 있다. 삼상의 전기를 단상으로 변환하는 것이 가능하여, 전압 380V의 삼상교류를 전압 220 V의 단상교류로 쉽게 변환할 수 있다.
장점
변압기를 통해 쉽게 전압을 바꿀 수 있다는 엄청난 장점이 있다. 덤으로 직류에 비해서 도선의 전기적 부식이 적다. 이는 도선 전체에서 전하가 흐르는 직류와 달리 교류는 후술될 주파수가 높아질수록 전선의 가장자리로만 흐르려는 특성이 있기 때문. 때문에 도선의 중심을 철로 보강하고 가장자리만 구리나 알루미늄과 같이 전도도가 높은 소재로 도선을 만드는 방식인 ACSR(Aluminium Conductor Steel Reinforced, 강심 연알루미늄선)이라는 방식이 사용되기도 한다. 이 동일 단면적의 전선에서 직류보다 송전용량이 많이 줄어드는 단점도 동시에 가진다.
또한 열의 형태로 전력을 낭비하는 저항기 대신 인덕터를 이용해 전류를 제한 가능하며 같은 전압일 때 아크가 쉽게 생성되지 않아 작은 스위치로도 회로 차단이 용이하다. 반면 직류의 경우 전압이 0이 되는 부분이 없어 전류가 끊기지 않기 때문에 아크가 쉽게 발생한다.
- 고효율 송전
우리가 사용하는 각종 전자기기가 대부분 직류 전기를 사용하지만, 정작 공급받는 전기가 교류인 가장 큰 이유는 송전 효율 때문이다. 더 정확하게 말하자면, 직류 대비 변압 효율이 굉장히 좋기 때문이다.
매우 먼 거리로 전기를 보내야 하는 경우, 전선도 수백 km 단위로 엄청나게 길어지며 자연스럽게 저항도 늘어나게 된다. 저항이 커지면 줄의 법칙에 의해 전력 손실이 커지고 전선 저항이 워낙에 크다 보니 전압 강하가 너무 극심해서 220V로는 송전은 커녕 1A도 흘리기가 어려워진다. 이는 교류, 직류 무관하게 어떤 형태의 송전이든 일어나는 현상이다. 직류로 송전으로 해도 똑같이 초고압 송전이 필요하다. 줄의 법칙에 나와있듯, 전기가 열로 손실되는 과정에는 전류와 저항만 관여한다. 여기서 엔지니어들은 고민에 빠지게 된다. 저항을 줄이려면 전선의 재질을 저항이 더 낮은 재질로 교체하거나, 더 두꺼운 전선을 써야 하는데 저저항 물질은 대체로 고가(은, 금 등)라 교체비용이 부담스럽고, 길이가 길이다 보니 강도 문제 때문에 재질도 원하는 대로 선정할 수가 없다. 또 더 두꺼운 전선을 쓰기에는 중량 증가로 인해 전신주 부담이 너무 컸다. 때문에 전류를 줄이는 쪽으로 가게 되었는데, 그렇다고 쓰는 전기량을 줄일 수는 없으니 전류를 줄이는 대신 전압을 올리게 되었다. 전력(P) = 전압(V) x 전류(I)이므로 전류가 반으로 줄어도 전압이 2배로 커지면 전력은 같다. 전압을 2배로 올리면, 전류는 반으로 줄여도 같은 양의 전력을 보낼 수 있으며, 줄의 법칙에 의해 손실전력은 4분의 1로 줄어들고 당연히 전압 강하도 감소한다. 이 때문에 장거리 송전은 기본적으로 고전압으로 이루어지게 되었다.
따라서 가정까지 송전되는 전기는 기본적으로 초고압 전기이다. 직류 대비 교류 변압기는 구조가 간단하며, 신뢰도도 높고 고용량으로 변전할 수 있다. 교류 변압기의 기본 구조는 막말로 그냥 말아 놓은 코일 두개만 붙여 놓으면 될 정도로 매우 간단한 구조를 띄고 있다. 따라서 고전압 송전을 위해 교류 전력 송전을 택하게 되었다. 더 높은 전압으로 송전할수록 효율이 좋기 때문에 국내에서는 장거리 송전 시 최대 765kV(765,000V)까지 승압시켜 송전하고 있으며, 손실률은 불과 3% 전후라고 한다.
현재 각종 소자의 발달로 직류도 승압이 비교적 쉬워짐에 따라 교류처럼 무효전류와 각종 거지같은 비효율성으로 고통을 겪지 않는 HVDC(초고압직류송전)가 주목받고 있다. 그러나 아직은 초기 비용이 커서 송전거리가 어느 정도 있어야 교류 송전보다 이익이 있다.
- 변압의 용이성
높은 전압이 송전에 유리하다 하더라도 변압이 어렵다면 상당히 곤란하다. 왜냐하면 송전 시에 필요한 전압이 무지막지하게 높은 데다가 가정에다가 수십만볼트의 고압을 그냥 공급할 수는 없는 노릇이니 강압도 필요하기 때문이다. 그것도 그냥 강압만 되면 되는 게 아니다. 변전소 거쳐서 전봇대까지 내려왔다고 해서 전선저항이 어디 가는 게 아니기 때문에 최대한 집 앞까지 끌고 와서 강압을 해야 한다. 기껏 초고압으로 송전해 왔더니 배전하다가 다 날려먹을 수는 없는 노릇이니까. 전봇대 전압은 이런 현실적인 타협의 산물이다.
교류는 이런 송배전 시의 변압을 굉장히 쉽게 할 수 있는데 이 분야의 최고존엄인 교류 변압기가 있기 때문이다. 구조가 단순해서 값도 싸고 절연만 안 깨지면 거의 반영구적으로 써먹을 수 있을 뿐더러 과부하도 잘 버티고 외부 환경에도 강하다.
가정에서 받을 때에는 교류나 직류나 특별히 어느 쪽이 이득을 본다고 하긴 어렵다. 요즘은 전력소자가 발달해서 DC로 220V가 들어오더라도 원하는 전압으로 변압하는 건 초퍼제어 등을 통해 별 어려움 없이 할 수 있으므로 직류 가전제품도 만들려면 만들 수는 있기 때문이다. 대부분의 가전제품들이 교류를 요구하고 전봇대로 들어오는 전력도 교류이기 때문에 교류를 받을 뿐이다. 하지만 변압을 위해서는 어차피 한번 교류를 거치게 되긴 하므로 그냥 처음부터 전원이 교류로 와 주는 것이 부피를 줄이는데 더 유리하기도 하다.
- 동력부하 사용의 용이성
회전운동에 의해 만들어진 전기이므로 회전운동을 하는 전동기를 돌리는 데 유용하다. 한 나라에서 사용하는 전기의 60% 정도가 동력 부하이다. 현대에는 VVVF 인버터를 통한 주파수 제어가 가능하므로 저항으로 전기를 갖다 버리면서 속도 제어를 하는 직류 전동기보다는 효율이 좋다. 또한 3상 전동기의 경우 회전 자계를 얻기가 쉽기 때문에 기동기 없이도 쉽게 회전자계를 형성시킬 수 있다. 그리고 직류 전동기에 비해 교류를 사용하는 유도 전동기의 구조가 더 간단하다. 구조가 간단하다는 것은 그만큼 제작에 용이하며, 유지비가 적게 든다는 것을 의미한다. 그래서인지 전동차의 경우 주파수 제어가 거의 불가능했던 과거에는 저항 제어, 전기자 초퍼 제어의 직류 전동기를 사용한 전동차가 많이 생산되었지만, 요즘은 주로 3상 농형 유도전동기로 움직이는 전동차들이 생산된다. 심지어 직류를 수전받는 전동차도 인버터를 통해 교류로 변환한 다음 유도 전동기로 움직인다.
- 간단한 발전기 구조
대부분의 발전기는 회전운동을 발전기에 이어서 발전한다. 화력발전소/원자력발전소는 증기로 터빈을 돌리고, 수력발전소는 물을 이용해서 수차를 돌리며, 풍력발전기는 바람으로 프로펠러를 돌린다. 이 모든 방법은 모두 회전 운동이 만들어 진다. 그리고, 이 회전축에 영구자석을 달고, 코일 속에서 회전시키면 그대로 교류 발전기가 만들어 진다. 직류 발전기 보다 훨씬 구조가 간단하며, 대형화하기가 쉽다. 간단하다는 것은 (상대적으로) 가격이 저렴하다는 것이며, 유지보수가 쉽다는 것을 의미한다.
단점
교류가 흐르게 되면 도선 주위에 전자기장이 발생하여 유도 장해를 일으키게 되며 표피효과가 발생해 실제 저항이 커지면서 손실이 커지고 특히 리액턴스가 발생한다는 큰 문제점이 있다. 흔히 말하는 전자파가 전자기 유도 때문에 그렇다.
리액턴스는 교류에서 전압과 전류의 변화를 방해하는 현상인데 이로 인해 직류와는 달리 전압과 전류의 비례 관계가 깨진다. 교류에서는 이 문제가 크게 다가오는데 왜냐하면 전압이 항상 움직이고 있기 때문이다. 만약 전압에 비해 전류가 느리게 따라오게 되면 필요한 만큼의 전류를 끌어오기도 전에 전압의 극성이 바뀌어버려 원하는 만큼의 전력을 얻을 수 없게 되며, 결과적으로 가용 전력도 그만큼 줄어들게 된다.
전기차
- 전기차, 교류를 직류로 바꿔 저장, 달릴 때는 다시 교류로
직류와 교류가 모두 중요하게 사용되는 기기도 있다. 바로 전기차다. 전기차는 교류 전기를 직류로 변환해서 저장하고, 그 전기를 다시 교류로 바꿔 달리는데 사용한다. 한정된 전기를 효율적으로 사용하기 위해 이와 같은 번거로운 과정을 거치고 있다. 그렇다보니 전기차에는 다양한 부품들이 장착된다.
우선 전기차 핵심 부품인 배터리는 전기를 저장하기 위해 직류 시스템이 사용된다. 교류는 배터리에 들어가더라도 빠져나가는 특성이 있어 저장이 불가능하기 때문이다. 전기차는 '탑재형충전기(OBC)'라는 부품을 이용해 상용전원(교류)을 직류로 변환해서 고전압 배터리를 충전시킨다. OBC를 통해 저장된 전기는 이동을 위해 전기모터를 구동하거나 차량 내 제어 장치 전원을 공급하는데 사용된다.
전기차를 제어하는 장치 대부분은 배터리의 직류를 그대로 사용한다. 하지만 차를 달리게 하는 전기모터 대부분은 교류를 필요로 한다. 직류 모터는 고효율, 소형화가 가능하다는 점에서 장점이 있지만 소음과 경제성이 떨어진다는 단점이 있다. 때문에 1,000마력을 발휘하는 전기 레이싱카 등 일부에만 탑재될 뿐, 대부분 전기차는 교류 모터가 장착된다.
배터리에 직류 형태로 저장된 전기로 교류 모터를 구동시키기 위해서는 인버터가 필요하다. 인버터는 자동차의 가속페달을 밟았을 때 고전압 리튬 배터리의 직류 전압을 교류 전압으로 변환해 구동 모터에 에너지를 공급한다. 또 감속페달을 밟을 때 전기 모터의 발전 에너지를 회수하고, 직류로 변환해 배터리를 충전시키기도 한다. 이처럼 전기에너지를 조절해 모터의 회전 속도와 토크를 제어하는 것이 인버터의 역할이다.
- 급속 충전은 직류로, 완속 충전은 교류로
차세대 전기차에서는 인버터가 통합충전시스템(ICCU)으로 한 층 업그레이드 된다. 전기차가 움직이면서 발생한 운동에너지나 태양광패널 등을 통해 생산된 전기는 배터리에 저장되고, 이 에너지를 외부 전력망으로 전송할 때 ICCU가 변환과 전압을 바꾸는 역할을 하게 된다. 차세대 전기차는 양방향 충전 기능을 갖추게 되면서 전기를 생산하거나 저장이 가능한 '움직이는 발전소'가 되는 것이다. 이런 기능은 야외 활동이나 캠핑 장소에서 전자제품을 작동하는데 사용하거나, 다른 전기차를 충전하는 데에도 이용할 수 있다. 실제 현대차에 따르면 전기차 한 대에 저장된 전력은 17평 에어컨 한 대와 55인치 TV를 동시에 24시간 가량 가동할 수 있는 것으로 분석됐다.
전기차가 교류 전기만 사용하는 것은 아니다. 구동 모터를 제외한 다른 전장 부품들은 12볼트(V) 직류로 작동된다. 고전압 배터리에 충전된 직류 전기를 차량 내 공조장치와 점등장치, 멀티미디어기기, 각종 차량 제어장치 등에 적합한 저전압으로 낮춰 12V 배터리에 공급해야 한다. 이때 필요한 부품이 저전압 직류변환장치(LDC)다. LDC는 기존 내연기관 차량의 발전기인 얼터네이터를 대체할 수 있다. 내연기관 차량은 12V 배터리를 충전하기 위해서 얼터네이터가 필요하다. 반면 전기차의 경우 회생제동 기능이 발전기를 대체하고, 고전압 배터리에 충전된 전력을 LDC가 전압을 낮춰 12V 배터리를 충전한다. 이런 방식은 차량 부품수를 줄이고, 구동동력을 빼앗지 않기 때문에 연비 효율 차원에서도 한층 유리하다.
전기차는 충전 방식에서도 직류와 교류 전기를 모두 사용한다. 급속 충전기는 직류 전기를 별도의 변환을 거치지 않고 배터리에 충전한다. 때문에 같은 용량을 완속 충전보다 약 8~10배 가량 빨리 충전할 수 있다. 급속 충전은 신속성이 뛰어나지만, 배터리 수명을 단축시킨다는 단점이 있다. 완속 충전은 교류 전기를 직류로 변환해서 저장하기 때문에 시간이 오래 걸린다. 대신 배터리 수명에 영향을 적게 준다는 것이 장점이다.[1]
각주
- ↑ 류종은 기자, 〈에디슨의 직류 vs 테슬라의 교류… 전기차 시대엔 둘 다 승자〉, 《한국일보》, 2021-06-04
참고자료
- 〈교류(전기)〉, 《나무위키》
- 〈교류〉, 《위키백과》
- 〈교류〉, 《물리학백과》
- 류종은 기자, 〈에디슨의 직류 vs 테슬라의 교류… 전기차 시대엔 둘 다 승자〉, 《한국일보》, 2021-06-04
같이 보기
