단상 전력 시스템

단상 전원 시스템 개략도는 실제 전원 회로의 배선에 대해 거의 보여주지 않습니다.

위에 표시된 것은 매우 간단한 AC 회로입니다. 부하 저항기의 전력 손실이 상당한 경우 이를 일반 회로로 간주하지 않고 "전력 회로" 또는 "전력 시스템"이라고 부를 수 있습니다.

"전원 회로"와 "일반 회로"의 구분이 임의적으로 보일 수 있지만 실제 문제는 절대 아닙니다.

실제 회로 분석

그러한 문제 중 하나는 AC 소스에서 부하로 전력을 전달하는 데 필요한 배선의 크기와 비용입니다. 일반적으로 우리는 단순히 전기 법칙을 배우기 위해 회로를 분석하는 경우 이러한 유형의 문제에 대해 별로 고려하지 않습니다.

그러나 현실 세계에서는 큰 문제가 될 수 있습니다. 위 회로의 소스에 전압 값을 제공하고 두 개의 부하 저항에 전력 손실 값도 제공하면 이 특정 회로에 필요한 배선을 결정할 수 있습니다.

실제적으로 120Vac에서 20kW 부하의 배선은 상당히 많습니다(167A).

위 그림의 각 부하 저항에 대해 83.33A는 총 회로 전류를 166.66A까지 더합니다. 이것은 적은 양의 전류가 아니며 적어도 1/0 게이지의 구리선 도체가 필요합니다.

이러한 와이어는 직경이 6mm(1/4인치)가 훨씬 넘고 무게는 1,000피트당 300파운드가 넘습니다. 구리도 싸지 않다는 것을 명심하십시오! 긴 도체 길이의 전력 시스템을 설계하는 경우 이러한 비용을 최소화할 수 있는 방법을 찾는 것이 가장 좋습니다.

이를 수행하는 한 가지 방법은 전원의 전압을 높이고 이 더 높은 전압에서 각각 10kW를 소모하도록 구축된 부하를 사용하는 것입니다.

물론 부하는 이전보다 더 높은 전압에서 이전과 동일한 전력(각각 10kW)을 소산시키기 위해 더 큰 저항 값을 가져야 합니다.

이점은 더 작고 더 가볍고 더 저렴한 와이어를 사용할 수 있도록 요구되는 전류가 적다는 것입니다.

240Vac에서 동일한 10kW 부하는 120Vac(83A)에서보다 배선이 덜 필요합니다.

이제 총 회로 전류는 이전의 절반인 83.33A입니다.

이제 단위 길이당 1/0 게이지 와이어의 무게의 절반 미만인 4번 게이지 와이어를 사용할 수 있습니다. 이는 성능 저하 없이 시스템 비용을 크게 절감합니다.

이것이 배전 시스템 설계자가 초고압(수천볼트)을 사용하여 전력을 전송하기로 선택한 이유입니다. 더 작고 더 가볍고 저렴한 전선을 사용하여 실현되는 절감 효과를 활용하기 위함입니다.

소스 전압 증가의 위험

그러나 이 솔루션에 단점이 없는 것은 아닙니다. 전원 회로에 대한 또 다른 실질적인 우려는 고전압으로 인한 감전의 위험입니다.

다시 말하지만, 이것은 일반적으로 우리가 전기 법칙에 대해 배울 때 집중하는 종류가 아니지만, 특히 많은 양의 전력이 처리될 때 현실 세계에서 매우 유효한 문제입니다.

회로 전압을 높임으로써 실현된 효율성의 이득은 감전의 위험을 증가시킵니다. 배전 회사는 높은 기둥이나 타워를 따라 전력선을 연결하고 대형 도자기 절연체를 사용하여 지지 구조물에서 전선을 절연함으로써 이 문제를 해결합니다.

사용 시점(전력 고객)에서는 여전히 부하에 전력을 공급하기 위해 어떤 전압을 사용해야 하는지 문제가 있습니다.

고전압은 감소된 도체 전류를 통해 시스템 효율성을 높지만 배전 시스템에서 전원 배선이 손이 닿지 않는 곳에 올라갈 수 있는 방식으로 사용 지점에서 전원 배선을 손이 ​​닿지 않는 곳에 두는 것이 항상 실용적인 것은 아닙니다.

효율성과 위험 사이의 이러한 균형은 유럽 전력 시스템 설계자가 위험을 감수하기로 결정한 것입니다. 모든 가정과 가전 제품은 북미에서와 같이 120볼트 대신 240볼트의 공칭 전압에서 작동합니다.

그렇기 때문에 유럽을 방문하는 미국 관광객들은 240VAC(볼트 AC) 전원을 보다 적합한 120VAC로 낮추기 위해 휴대용 기기용 소형 강압 변압기를 휴대해야 합니다.

소비자에게 전압을 전달하기 위한 솔루션

전력 사용 종료점에서의 강압 변압기

효율성 향상과 안전 위험 감소의 이점을 동시에 실현할 수 있는 방법이 있습니까?

한 가지 해결책은 미국인 관광객이 유럽에 있는 동안 해야 하는 것처럼 전력 사용의 끝점에 강압 변압기를 설치하는 것입니다.

그러나 이것은 매우 작은 부하(변압기를 저렴하게 구축할 수 있는 경우) 또는 매우 큰 부하(두꺼운 구리선의 비용이 변압기의 비용을 초과하는 경우)를 제외한 모든 경우에 비용이 많이 들고 불편합니다.

직렬로 연결된 2개의 낮은 전압 부하

대안 솔루션은 직렬로 연결된 2개의 더 낮은 전압 부하에 전력을 공급하기 위해 더 높은 전압 공급 장치를 사용하는 것입니다. 이 접근 방식은 고전압 시스템의 효율성과 저전압 시스템의 안전성을 결합합니다.

83.3A 총 전류에서 240Vac 소스로 구동되는 직렬 연결 120Vac 부하

표시된 각 전압의 극성 표시(+ 및 -)와 전류의 단방향 화살표를 확인하십시오.

표기법이 위상에 대한 참조 프레임을 제공하는 데 유효하지만 대부분의 경우 분석 중인 AC 회로에서 "극성"이라는 레이블을 지정하지 않았습니다.

이 장의 후반부에서 위상 관계가 매우 중요해질 것이므로 이 표기법을 장의 초반부에 소개하겠습니다.

각 부하를 통과하는 전류는 단순한 120볼트 회로에서와 동일하지만 부하가 병렬이 아니라 직렬이기 때문에 전류는 추가되지 않습니다.

각 부하의 전압은 240V가 아니라 120V이므로 안전 계수가 더 좋습니다. 참고로 전원 시스템 전선에는 여전히 전체 240볼트가 있지만 각 부하 감소된 전압에서 작동 중입니다.

누군가가 충격을 받을 경우 전력 시스템의 주 전선을 가로질러 접촉하는 것이 아니라 특정 부하의 도체와 접촉하게 될 가능성이 높습니다.

2부하 시리즈 설계에 대한 수정

이 설계에는 단 하나의 단점이 있습니다. 하나의 부하가 열리지 않거나 꺼지는 결과(각 부하에 전류를 차단하는 직렬 켜기/끄기 스위치가 있다고 가정)가 좋지 않습니다.

직렬 회로이므로 한쪽 부하가 열리면 다른 부하에서도 전류가 멈춥니다. 이러한 이유로 디자인을 약간 수정해야 합니다. (아래 그림)

중성 도체를 추가하면 부하를 개별적으로 구동할 수 있습니다.

분할 전력 시스템

단일 240볼트 전원 공급 장치 대신 2개의 120볼트 공급 장치(서로 동위상!)를 직렬로 사용하여 240볼트를 생성한 다음 로드 사이의 연결 지점에 세 번째 와이어를 연결하여 한 로드의 결과를 처리합니다. 오프닝.

이를 분할 단계라고 합니다. 전원 시스템. 3개의 작은 전선은 단순한 병렬 설계에 필요한 2개의 전선보다 여전히 저렴하므로 효율성 면에서 여전히 앞서 있습니다.

기민한 관찰자는 중성선이 차이를 전달하기만 하면 된다는 사실을 알아차릴 것입니다. 두 부하 사이의 전류를 소스로 되돌립니다.

위의 경우 동일한 양의 전력을 소비하는 완벽하게 "균형된" 부하에서 중성선은 0의 전류를 전달합니다.

중성선이 전원 공급 장치 끝의 접지에 어떻게 연결되어 있는지 확인하십시오. 중성선을 접지하면 "뜨거운" 전선과 접지 사이에 주어진 시간에 가능한 최소 전압을 보장하기 때문에 이것은 "중성" 전선을 포함하는 전원 시스템의 일반적인 기능입니다.

분상 전력 시스템의 필수 구성 요소는 이중 AC 전압 소스입니다. 다행히도 설계하고 구축하는 것은 어렵지 않습니다.

대부분의 AC 시스템은 어쨌든 강압 변압기에서 전력을 받기 때문에(높은 배전 수준에서 120 또는 240과 같은 사용자 수준 전압으로 전압을 낮추기) 해당 변압기는 중앙 탭이 있는 2차 권선으로 구축할 수 있습니다.

미국식 120/240 Vac 전력은 중앙 탭 유틸리티 변압기에서 파생됩니다.

AC 전원이 발전기(교류기)에서 직접 공급되는 경우 코일은 동일한 효과를 위해 유사하게 중앙에 탭핑될 수 있습니다. 변압기 또는 교류 발전기 권선에 중앙 탭 연결을 포함하는 추가 비용은 최소화됩니다.

여기서 (+) 및 (-) 극성 표시가 정말 중요해집니다. 이 표기법은 여러의 위상을 참조하는 데 자주 사용됩니다. AC 전압 소스이므로 서로 돕고("부스팅") 아니면 서로 반대("버킹")하는지 명확합니다.

이러한 극성 표시가 없으면 여러 AC 소스 간의 위상 관계가 매우 혼란스러울 수 있습니다. 회로도의 분리 위상 소스(각각 120볼트 ∠ 0°)는 직렬 보조 배터리와 마찬가지로 극성 표시(+)에서 (-)로 다음과 같이 표시될 수 있습니다. (아래 그림)

분할 위상 120/240 Vac 소스는 120 Vac 소스를 지원하는 2개의 시리즈와 동일합니다.

"뜨거운" 전선 사이의 전압을 수학적으로 계산하려면 빼기해야 합니다. 극성 표시가 서로 반대되는 것으로 표시되기 때문입니다.

두 소스의 공통 연결 지점(중성선)을 동일한 극성 표시(-)로 표시하는 경우 상대 위상 변이가 180° 떨어져 있는 것으로 표현해야 합니다. 그렇지 않으면 서로 직접 반대되는 두 개의 전압 소스를 나타내므로 두 개의 "뜨거운" 도체 사이에 0볼트가 발생합니다.

극성 표시와 위상 각에 대해 자세히 설명하는 데 시간을 할애하는 이유는 무엇입니까? 다음 섹션에서 더 이해하기 쉬울 것입니다!

미국 가정 및 경공업의 전원 시스템은 대부분 120/240VAC 전원을 제공하는 다양한 분리상입니다. "분할 위상"이라는 용어는 이러한 시스템의 분할 전압 공급을 의미합니다.

보다 일반적인 의미에서 이러한 종류의 AC 전원 공급 장치를 단상이라고 합니다. 두 전압 파형이 서로 동상 또는 단계적이기 때문입니다.

"단상"이라는 용어는 우리가 자세히 조사하려는 "다상"이라고 하는 또 다른 종류의 전력 시스템에 대한 반대 개념입니다. 이 장의 제목 주제로 이어지는 긴 서론에 대해 사과드립니다.

다상 전력 시스템의 장점은 먼저 단상 시스템을 잘 이해하고 있다면 더욱 분명해집니다.

검토:

<울>

단상 전원 시스템은 하나의 전압 파형만 있는 AC 소스를 갖는 것으로 정의됩니다.

분할 단계 전력 시스템은 직렬로 연결된 다중(동위상) AC 전압 소스가 있는 시스템으로, 2개 이상의 전선을 사용하여 1개 이상의 전압에서 부하에 전력을 공급합니다. 이들은 주로 시스템 효율성(낮은 도체 전류)과 안전(낮은 부하 전압) 사이의 균형을 달성하는 데 사용됩니다.

분할 AC 소스는 변압기 또는 교류 발전기의 코일 권선 중앙을 탭하여 쉽게 생성할 수 있습니다.

관련 워크시트:

<울>

다상 전력 시스템 워크시트