왜 3상 전력인가? 전력 송전을 위해 6, 12 또는 그 이상의 상수를 사용하지 않는 이유는 무엇인가?

단상 시스템과 삼상 시스템이 전력 송전, 배전, 최종 사용 응용 분야에서 가장 보편적인 구성임은 잘 알려져 있습니다. 두 시스템 모두 기본적인 전력 공급 구조를 제공하지만, 삼상 시스템은 단상 시스템보다 명확한 이점을 제공합니다.

특히 다상 시스템(예: 6상, 12상 등)은 전력 전자학, 특히 정류기 회로와 가변 주파수 드라이브(VFD)에서 펄스 직류 출력의 리플을 효과적으로 줄이는 특정 응용 분야에서 사용됩니다. 다상 구성을 달성하기 위해(예: 6, 9, 또는 12상) 역사적으로는 복잡한 위상 이동 기술이나 모터-발전기 세트가 사용되었지만, 이러한 접근 방식은 대규모 전력 송전 및 배전에 있어 경제적으로 불가능하다고 여겨집니다.

왜 삼상을 선택할까요? 단상 공급 시스템 대신?

삼상 시스템의 주요 장점은 더 많은(일정하고 균일한) 전력을 송전할 수 있다는 것입니다.

단상 시스템의 전력

• P =  V . I  . CosФ

삼상 시스템의 전력

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … 또는

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

여기서:

• P = 와트(W) 단위의 전력

• V_L = 라인 전압

• I_L = 라인 전류

• V_PH = 상 전압

• I_PH = 상 전류

• CosФ = 전력 인자

삼상 시스템의 전력 용량이 단상 시스템보다 1.732 (√3) 배 더 크다는 것이 명백합니다. 비교적, 이중 상 공급은 단상 구성보다 1.141 배 더 많은 전력을 송전합니다.

삼상 시스템의 주요 장점 중 하나는 회전 자기장(RMF)입니다. 이는 삼상 모터에서 자가 시작을 가능하게 하며, 일정한 순간 전력과 토크를 보장합니다. 반면, 단상 시스템은 RMF가 없어 펄스 전력을 나타내며, 모터 응용 분야에서 성능이 제한됩니다.

삼상 시스템은 또한 전송 효율성이 뛰어나 전력 손실과 전압 강하가 적습니다. 예를 들어, 일반 저항 회로에서:

단상 시스템

• 송전선의 전력 손실 = 18I²r … (P = I²R)

• 송전선의 전압 강하 = I.6r … (V = IR)

삼상 시스템

• 송전선의 전력 손실 = 9I²r … (P = I²R)

• 송전선의 전압 강하 = I.3r … (V = IR)

삼상 시스템의 전압 강하와 전력 손실이 단상 시스템보다 50% 낮다는 것을 보여줍니다.

이중 상 공급은 삼상 시스템과 유사하게 일정한 전력을 제공하며, 회전 자기장을 생성하고 일정한 토크를 제공할 수 있습니다. 그러나 삼상 시스템은 추가 상 덕분에 더 많은 전력을 송전합니다. 그러면 6, 9, 12, 24, 48 등의 더 많은 상을 사용하지 않는 이유는 무엇일까요? 이를 자세히 논의하고, 같은 수의 선을 사용하는 경우에도 삼상 시스템이 이중 상 시스템보다 더 많은 전력을 송전할 수 있는 이유를 설명하겠습니다.

왜 이중 상이 아닌가?

이중 상과 삼상 시스템 모두 회전 자기장을 생성하며, 일정한 전력과 토크를 제공할 수 있지만, 삼상 시스템은 더 높은 전력 용량이라는 주요 장점을 제공합니다. 삼상 구조의 추가 상은 동일한 도체 크기로 이중 상 시스템보다 1.732 배 더 많은 전력을 송전할 수 있게 합니다.

이중 상 시스템은 일반적으로 두 개의 상 도체와 두 개의 중성선을 사용하여 회로를 완성합니다. 공통 중성선을 사용하여 세 선 시스템으로 변환하면 배선을 줄일 수 있지만, 중성선은 두 상의 반환 전류를 모두 운반해야 하므로 과열을 피하기 위해 더 두꺼운 도체(예: 구리)가 필요합니다. 반면, 삼상 시스템은 균형 부하(델타 구조)의 경우 세 개의 선을, 불균형 부하(스타 구조)의 경우 네 개의 선을 사용하여 전력 전달과 도체 효율성을 최적화합니다.

왜 6상, 9상, 또는 12상이 아닌가?

더 많은 상의 시스템은 송전 손실을 줄일 수 있지만, 실제 제약 때문에 널리 채택되지 않습니다:

• 도체 효율성: 삼상 시스템은 균형된 전력을 송전하기 위해 가장 적은 도체(3개)를 사용하며, 12상 시스템은 12개의 도체가 필요해 재료와 설치 비용이 4배로 증가합니다.

• 고조파 억제: 삼상 시스템의 120° 위상 각은 자연스럽게 3차 고조파 전류를 상쇄하여, 더 많은 상의 시스템에서 필요한 복잡한 필터를 필요로 하지 않습니다.

• 시스템 복잡성: 더 많은 상의 시스템은 재설계된 구성 요소(변압기, 회로 차단기, 스위치 기어)와 더 큰 변전소를 요구하며, 설계 복잡성과 유지 관리 부담을 증가시킵니다.

• 실용적 제약: 3개 이상의 상을 가진 모터와 발전기는 더 크고 냉각이 어려우며, 송전 타워는 더 많은 도체를 수용하기 위해 더 높아져야 합니다.

삼상의 이점

삼상 시스템은 다음과 같이 최적의 균형을 이루고 있습니다:

• 동일한 도체로 단상 시스템보다 50% 더 많은 전력을 송전하여 손실을 최소화합니다.

• 120° 위상 구성을 통해 부하를 균형 잡고 복잡성을 추가하지 않고 고조파를 억제합니다.

• 델타(균형 부하)와 스타(불균형 부하) 설정 모두를 지원하여 다양한 전력 요구 사항을 충족합니다.

더 많은 상의 시스템은 수익률이 감소합니다. 각 추가 상은 비용을 지수적으로 증가시키면서 미미한 이점을 제공합니다. 이러한 이유로, 삼상 기술은 효율성, 단순성, 경제적 실현 가능성을 균형 잡으며 전력 송전의 글로벌 표준으로 남아 있습니다.