3상 전력 시스템: 기초와 이점

분상 전력이란?

분상 시스템은 총 전압을 낮은 레벨로 나누어 도체 효율을 높이고 안전 위험을 줄입니다. 각 부하는 낮은 전압에서 동작하지만 전류는 풀 전압 시스템과 유사하게 유지됩니다.

"위상"이라는 용어는 엄밀히 AC 개념이지만, 같은 원리가 DC에도 적용됩니다. 이들은 보통 분상보다는 3선식 시스템이라 부릅니다.

위상이 다른 AC 전압은 단순히 더해지지 않으므로, 이 동작을 이용해 분상보다 더 높은 도체 효율과 더 낮은 감전 위험을 가진 전력 시스템을 만들 수 있습니다.

예시

120° 위상 차이 두 전압 소스

분상 시스템처럼 두 AC 전압 소스를 직렬 연결하되, 각 소스가 서로 120° 위상 차이를 가지는 경우를 고려해보세요:

 

분상과 유사한 120° 위상 차이 120Vac 소스 쌍

 

각 소스는 120V를 공급하고, 각 부하 저항은 해당 소스와 직접 병렬 연결됩니다. 결과적으로 각 부하 양단 전압은 120V이고, 부하 전류 83.33A로 각 부하는 10kW를 소산합니다.

두 "핫" 도체 간 전압은 240V가 아닙니다(120° - 180°). 위상 차이가 120°이기 때문입니다. 대신 선간 전압은:

 

 

공칭적으로 핫 도체 간 전압은 208V(반올림)이므로 시스템을 120/208로 지정합니다.

중성선 전류 계산 결과, 균형 부하에서도 0이 아닙니다. 키르히호프 전류 법칙에 따라 두 부하 사이의 노드로 들어오고 나가는 전류는 상쇄되어야 합니다:

 

 

중성선은 각 핫 도체와 같은 83.33A를 전송합니다.

 

결과 및 결론

중성선이 여전히 핫 도체와 같은 전류를 전달하지만, 총 전력 전달량은 20kW(부하당 10kW)로 유지됩니다. 핫-투-핫 전압이 분상의 240V보다 32V 낮은 208V에 불과하므로, 도체 비용 변경 없이(동일 게이지 구리 필요) 안전성이 개선됩니다.

120° 위상 차이 세 전압 소스

중성선의 전류는 이를 추가 핫 도체로 사용할 수 있음을 시사합니다. 세 번째 120V 소스를 240° 위상으로 추가하면 네 번째 부하가 같은 세 도체를 공유할 수 있습니다:

 

세 번째 부하가 다른 두 부하와 120° 위상 차이로, 전류는 두 부하 경우와 동일

 

3상 시스템 SPICE 계산

완전한 네트워크 해석에는 중첩 정리를 쓰지만, 직관적 결과는 120° 간격의 세 120V 소스가 각 균형 부하 저항에 120V를 전달한다는 것입니다.

SPICE가 이를 확인합니다:

 

SPICE 회로: 120° 위상 3-Φ 부하 3개

 

120/208 polyphase power system
v1 1 0 ac 120 0 sin
v2 2 0 ac 120 120 sin
v3 3 0 ac 120 240 sin
r1 1 4 1.44
r2 2 4 1.44
r3 3 4 1.44
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4)
.print ac v(1,2) v(2,3) v(3,1)
.print ac i(v1) i(v2) i(v3)
.end

VOLTAGE ACROSS EACH LOAD
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4)
6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02
VOLTAGE BETWEEN "HOT" CONDUCTORS
freq v(1,2) v(2,3) v(3,1)
6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02
CURRENT THROUGH EACH VOLTAGE SOURCE
freq i(v1) i(v2) i(v3)
6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

결과는 각 부하에 120V, 임의의 두 핫 도체 간 ~208V, 각 도체에 83.33A를 보여줍니다. 각 부하는 따라서 10kW를 소산합니다.

회로에 전압 안정성을 위한 중성선이 없습니다. 한 부하가 열리면 나머지 부하 전압이 변합니다. 중성선을 추가하면 부하가 균형 잡힐 때 안정된 동작을 보장하며, 부하가 고장 나거나 분리되지 않는 한 중성선 전류는 0입니다.

 

시뮬레이션 결과가 주석된 SPICE 회로: 120° 위상 3-Φ 부하 3개

 

다상 회로

우리가 살펴본 것—서로 다른 위상각을 가진 세 전압 소스—을 다상(polyphase) 회로라 합니다. 접두사 "poly"는 "다수"를 의미합니다(다신교 polytheism, 다각형 polygon 등). 전력 시스템에서는 여러 위상 천이된 전압 파형을 나타냅니다.

구체적으로 3상(three-phase) 회로가 다상 시스템의 가장 일반적인 형태로, 대규모 배전 네트워크를 구동합니다.

3상 시스템 vs 단상 시스템

단상 시스템

단상 120V 시스템에서 세 동일 부하는 총 250A(83.33A × 3)를 끌어옵니다. 이 전류를 감당하려면 3/0 AWG 구리(약 510lb/1000ft)가 필요합니다. 1000ft면 구리 반 톤 이상이 필요합니다.

 

비교용: 120Vac 시스템에서 3개 10kW 부하는 250A를 끌어옴

 

분상 시스템

분상 시스템은 전류를 절반으로 줄일 수 있습니다. 두 15kW 120V 부하는 240V 라인 전압에서 125A를 끌어 2 AWG 구리(약 200lb/1000ft) 사용 가능. 그러나 240V 존재로 더 높은 감전 위험.

 

분상 시스템은 120Vac 시스템의 125A 대비 240Vac에서 절반 전류 125A

 

3상 시스템

앞선 둘과 비교해 균형 3상 시스템은 도체당 83.33A만 사용합니다. 4 AWG 구리(약 125lb/1000ft)로 충분하며, 자재 비용을 절감하면서 최대 전압을 208V로 유지해 분상의 240V보다 낮습니다.

주요 질문은 120° 간격의 세 AC 전압 소스를 어떻게 생성하느냐입니다. 분상이 센터 탭을 사용하는 것과 달리, 3상 발전기는 로터 주위에 3개 권선 세트를 120° 간격으로 배치하여 소스에서 직접 필요한 위상 천이를 생성합니다.

아래 그림에서 6개 극 권선이 3쌍을 형성하며, 각 쌍은 다른 것들과 120° 위상 차이인 120V AC 파형을 전달합니다. 권선은 일반적으로 "Y"(스타) 구성으로 배선되어 각 권선 한 끝을 공통 중성 노드에 연결합니다.

 

(a) 단상 발전기, (b) 3상 발전기

 

발전기 Y 구성

 

요약

• 단상 시스템은 하나의 AC 전압 소스를 가집니다.
• 분상 시스템은 두 180° 위상 차 소스를 사용하여 도체 전류를 줄이면서 부하 전압을 낮게 유지합니다.
• 다상 시스템은 서로 다른 위상각을 가진 여러 전압 소스를 사용하여 더 낮은 전압과 더 작은 도체로 더 많은 전력을 전달합니다.
• 위상 천이된 전압 소스는 로터 주위에 여러 권선 세트를 배치한 발전기에서 직접 생성됩니다.

관련 워크시트

• 다상 전력 시스템 워크시트