3상 발전기의 위상 순서: 메커니즘, 검출, 전선 반전

3상 발전기

앞서 논의한 3상 발전기 설계를 다시 살펴보고 자석 회전이 생성 전압에 미치는 영향을 관찰해보겠습니다.

3상 발전기

120° 위상 천이는 세 권선 쌍의 실제 각도 변위의 직접적 결과입니다. 자석이 시계 방향으로 돌면 권선 3이 권선 2보다 120° 축 회전 뒤에 전압 피크에 도달하고, 권선 2는 권선 1보다 120° 뒤에 피크에 도달합니다. 자석은 각 극 쌍을 서로 다른 축 각도에서 지나갑니다.

권선 배치가 각 권선의 AC 파형 간 위상 천이를 결정합니다. 권선 1을 기준(0°)으로 하면, 권선 2는 -120°(또는 +240°), 권선 3은 -240°(또는 +120°)입니다.

위상 순서(Phase Sequence)

시계 방향 축 회전은 반복 가능한 순서 1 → 2 → 3을 생성합니다. 이 순서는 발전기가 계속 회전하는 한 지속됩니다.

시계 방향 회전 위상 순서: 1-2-3

축 방향을 반시계 방향으로 반대로 하면 순서가 3 → 2 → 1로 바뀝니다. 이 경우 권선 2가 권선 1을 120° 리드하고, 권선 3이 권선 2를 또 120° 리드합니다.

반시계 방향 회전 위상 순서: 3-2-1

다상 시스템에서 전압 파형의 배열을 위상 회전(phase rotation) 또는 위상 순서(phase sequence)라 합니다. 순수 저항 부하에서는 순서가 아무 차이 없습니다. 크기는 1-2-3이나 3-2-1이나 동일합니다. 그러나 불평형 반응성 부하를 포함하는 특정 3상 응용은 위상 회전 방향에 민감합니다.

위상 순서 검출기

표준 전압계와 전류계는 활성 전력 시스템의 순서를 드러낼 수 없습니다. 대신 커패시터를 이용해 전압과 전류 사이에 위상 천이를 도입하고, 이것이 두 표시등 밝기 차이로 나타나게 하는 간단한 검출 회로를 사용합니다.

위상 순서 검출기가 두 램프 밝기를 비교

두 램프는 동일한 필라멘트 저항과 와트수를 가집니다. 커패시터는 시스템 주파수에서 각 램프 저항과 대략 같은 리액턴스를 제공하도록 크기가 정해집니다. 커패시터를 같은 값의 저항으로 대체하면 회로가 균형을 이루어 램프 밝기가 같아집니다. 그러나 커패시터는 세 번째 다리에 90° 위상 천이를 도입하여, 상대적 위상 오프셋에 따라 램프가 보는 전압과 전류를 치우치게 만듭니다.

위상 순서 검출기 SPICE 분석

다음 SPICE 시뮬레이션(phase rotation detector – sequence = v1‑v2‑v3)은 90° 위상 천이의 효과를 보여줍니다.

위상 순서 검출기 SPICE 회로

phase rotation detector -- sequence = v1-v2-v3
v1 1 0 ac 120 0 sin
v2 2 0 ac 120 120 sin
v3 3 0 ac 120 240 sin
r1 1 4 2650
r2 2 4 2650
c1 3 4 1u
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4)
.end
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4)
6.000E+01 4.810E+01 1.795E+02 1.610E+02

커패시터의 위상 천이는 첫 번째 램프 전압을 48.1V로 낮추고 두 번째 램프 전압을 179.5V로 높여, 첫 번째 램프는 어둡게 하고 두 번째는 밝게 만듭니다. 위상 순서를 반전하면(phase rotation detector – sequence = v3‑v2‑v1) 결과가 뒤집힙니다: 첫 번째 램프가 밝고 두 번째가 어둡게 됩니다.

phase rotation detector -- sequence = v3-v2-v1
v1 1 0 ac 120 240 sin
v2 2 0 ac 120 120 sin
v3 3 0 ac 120 0 sin
r1 1 4 2650
r2 2 4 2650
c1 3 4 1u
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4)
.end
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4)
6.000E+01 1.795E+02 4.810E+01 1.610E+02

따라서 위상 회전은 발전기 회전 자석이 극 쌍을 지나는 순서에 의해 결정되며, 축 방향을 반대로 하면 그 순서가 바뀝니다. 실제로는 최종 사용자가 국가 그리드의 결합된 발전기 회전을 반전시킬 수 없지만, 3상 부하에 공급되는 세 핫 와이어 중 어떤 두 개를 교환함으로써 같은 효과를 얻을 수 있습니다.

핫 와이어 교환

두 핫 와이어를 교환하는 것은 위상 순서를 반전시키는 간단한 방법입니다. 실행 중인 1-2-3 회전을 고려해보세요: 1-2-3-1-2-3-... 3-2-1로 순서를 반전시키는 것은 어떤 두 와이어를 교환하는 것과 동일합니다. 결과는 항상 반전된 순서입니다(예: 2-1-3, 1-3-2, 또는 3-2-1).

임의의 두 와이어 교환 모든 가능성

요약

• 위상 회전(또는 위상 순서)은 다상 AC 소스의 전압 파형이 피크에 도달하는 순서를 말합니다. 3상 시스템에서는 발전기 회전 방향에 해당하는 1-2-3과 3-2-1 두 순서만 존재합니다.
• 위상 회전은 순수 저항 부하에 영향이 없지만, 위상 회전 검출기 회로로 시연된 것처럼 불평형 반응성 부하에는 영향을 줍니다.
• 3상 부하에 공급되는 세 핫 리드 중 어떤 두 개를 교환함으로써 위상 순서를 반전시킬 수 있습니다.

관련 워크시트

• 다상 전력 시스템 워크시트