삼상 전기의 원리와 관련 개념을 보기 좋게 요약 정리해 드립니다.

1. 교류 전력의 생성 원리

• 발전기 구조: 교류(AC) 전력은 발전기에서 생성되며, 이는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 발전기는 고정된 하우징(스테이터)과 중심의 회전하는 자석(로터)으로 구성됩니다.
• 전압 유도: 로터가 회전하면서 자기장이 변하고, 스테이터 내의 와이어 코일을 통과하며 정현파 형태의 전압을 유도합니다. 이 자기장과 전자의 상호작용으로 전자는 앞뒤로 움직이며 전류의 방향을 번갈아 바꿉니다.
• 주파수: 우리 집 콘센트는 보통 50Hz 또는 60Hz의 교류를 제공하는데, 이는 정현파가 1초에 50번 또는 60번 반복됨을 의미합니다.

2. 단상 전력과 삼상 전력

• 단상(Single-Phase) 전력:
  • 하나의 코일에서 생성되며, 전압은 0에서 시작하여 양의 최대값, 0, 음의 최대값, 그리고 다시 0으로 변하는 정현파 형태를 가집니다.
  • 단상 발전기의 출력 전력은 정현파 특성상 일정하지 않고 맥동합니다. 이로 인해 백열등의 밝기가 깜빡일 수 있습니다(사람 눈에는 너무 빨라 보이지만 슬로우 모션으로 확인 가능).
• 삼상(Three-Phase) 전력:
  • 스테이터에 120도 간격으로 세 개의 코일을 배치하여 세 개의 위상(상)을 생성합니다. 각 코일은 다른 시간에 자기장 변화를 경험하여 전압이 서로 다른 시간에 증가하고 감소하므로, 세 개의 정현파가 시간적으로 지연되어 나타납니다.
  • 삼상 전력은 단상보다 훨씬 더 일정한 출력 전력을 제공합니다.
  • 네 번째, 다섯 번째, 여섯 번째 상을 추가할 수도 있지만, 발전기 복잡성, 비용, 제어 및 동기화의 어려움으로 인해 삼상이 가장 효율적인 방식으로 결정되었습니다.

3. 삼상 전력의 주요 장점

• 일정한 전력 공급: 단상에 비해 훨씬 안정적이고 균일한 전력을 제공합니다.
• 효율적인 전력 분배: 전력을 세 개의 상으로 분산시켜 더 많은 기계를 연결할 수 있으며, 회로 과부하를 방지합니다.
• 부드러운 작동:
  • 삼상 히터는 단상보다 더 많은 열을 일정하게 생성하며, 동일한 열 출력을 위해 더 작은 히터를 사용할 수 있습니다.
  • 삼상 모터는 단상 모터보다 훨씬 더 부드러운 회전을 제공합니다. 이는 마치 세 사람이 교대로 바퀴를 돌리는 것처럼 모멘텀을 유지하기 쉬워 작동이 부드러워집니다.
• 경제적인 배선: 원래 여섯 가닥의 전선이 필요하지만, 코일의 끝과 부하의 끝을 함께 연결하여 세 가닥의 전선만 사용할 수 있어 비용이 훨씬 절감됩니다.

4. 삼상 전력의 연결 및 배전 방식

• 연결 구성 (Y 및 델타):
  • 와이(Y) 구성: 중심점에서 중성선을 발전기 또는 변압기로 보낼 수 있으며, 이 점을 접지에 연결하여 시스템을 0볼트로 설정할 수 있습니다. 상 간의 전류가 균형을 이루면 중성선에 전류가 흐르지 않지만, 불균형 시 중성선이 전류를 흘려 시스템의 균형을 맞춥니다. Y 구성에서는 하나의 상과 중성선만 연결하여 단상 연결로 사용하거나, 모든 세 단계를 연결하여 모터와 같은 대형 장비에 사용할 수 있습니다.
  • 델타(Delta) 구성: 훨씬 더 많은 전력을 공급할 수 있지만, 균형 잡힌 삼상 부하만 전력 공급이 가능하며 중성선이 필요하지 않습니다.
• 전력 배전:
  • 각 발전소는 삼상 전력을 생성합니다.
  • 변압기는 전압을 수십만 볼트로 높여 장거리 전송 중 전류 및 에너지 손실을 줄입니다.
  • 도시로 도달하면 다른 변압기에서 전압을 낮추고, 이를 대규모 산업/상업 고객에게 공급하거나, 배전 변전소로 전달하여 전압을 다시 낮춘 후 각 건물로 배전합니다.
  • 일반적으로 주거용 건물은 단상 연결을, 상업용 건물은 삼상 연결을 받습니다. 일부 지역에서는 주택에도 삼상을 제공하기도 합니다.

5. 전압 및 주파수 특성

• 지역별 차이: 전 세계적으로 다른 전압, 다른 주파수, 그리고 다른 배전 설계를 사용합니다.
• 실효값 (RMS 전압):
  • 멀티미터가 표시하는 전압 값은 일정해 보이지만, 실제 교류 전압은 정현파에 따라 계속 변동합니다.
  • 이 일정한 값은 **실효값(RMS 전압)**이며, 이는 교류 전압이 직류 전압과 동일한 양의 열을 생성할 때의 값을 의미합니다. 피크 전압(최대 전압)보다 낮으며, 모든 순간 전압을 제곱하고 평균을 취한 후 다시 제곱근을 취하는 복잡한 수학적 계산을 통해 얻어집니다.
• 전압 예시:
  • 영국 및 유럽: 일반적으로 230V 단상 또는 400V 삼상을 제공합니다.
  • 북미: 주택에 240V 단상(대형 가전제품용) 또는 120V(소형 가전제품용)를 제공합니다. 작은 상업용 건물에는 208V 삼상(120V 단상도 제공)이, 더 큰 건물에는 480V 삼상(277V 단상도 제공)이 공급될 수 있습니다.
• 단상-삼상 변환: 회전 변환기(rotary converter)를 사용하여 단상을 삼상으로 변환할 수도 있습니다.