[전기 기초] 3. 직류(DC)와 교류(AC)의 차이점

본 포스팅은 “김기사의 e-쉬운 전기” 책 내용을 기반으로 작성되었습니다. 잘못된 내용이 있을 경우 지적해 주시면 감사드리겠습니다.

3-1. 직류의 성질

직선으로 쭉 그어지며 전압과 전류가 흐르기에 직류라고 한다. (+)극과 (-)극으로 구분되고 전력이 일정한 크기로 한 방향으로 진행한다는 점이 특징이다. 직류 12V를 DC 12V, 12VDC로 표기한다.

직류는 시간에 따른 전력의 변화가 없고 단순하기에 전기, 전자회로를 설계, 해석, 표현하는 것이 훨씬 안정적이다. 그렇기 때문에 현재에도 많은 전자제품들이 직류를 이용한다. 직류의 최대 특징은 안정성이다. 또한 저장이 가능하다는 장점도 있어서 전지는 모두 직류전원으로 생산된다. 전압과 전류의 크기가 일정해 통신장치에 장애가 없다.

그러나 직류는 변압이 힘들다는 큰 단점이 있다. 과거 발전소나 송배전시설에서 변압이 힘들다 보니 여러 가지 문제가 발생되었다. 먼저 송전 자체가 단거리 위주만 가능했다. 전압도 일정하지 않아서 송배전 분야에서 직류가 두각을 드러내지 않았다. 그러나 최근 직류도 많은 발전을 거듭하며 초소형 변압회로가 대중화 되었다. 직류 송전은 교류 송전의 단점인 전력 손실면에서 유리하기 때문에 초고압직류송전(HVDD) 분야가 전 세계적으로 최첨단 기술로 각광받고 있다.

3-2. 교류의 성질

교류는 전력의 크기와 방향이 주기적으로 계속 바뀐다. (+)극과 (-)극이 계속 바뀌어 따로 (+)극과 (-)극을 구분할 수 없다. 교류는 크기와 방향이 있는 벡터값이며, 진동하는 에너지를 이용한다. 이렇게 주기적으로 바뀌게 됨에 따라 교류라고 한다. 교류 220V를 AC 220V 또는 220VAC로 표기한다. 거대한 터빈을 회전시켜 발전을 하는 전기는 모듀 교류이다. 참고로 터빈(원동기)은 액체나 기체, 플라즈마와 같은 유체의 흐름에서 에너지를 뽑아 회전운동으로 바꾸는 것을 말한다.

직류는 변압이 어렵지만, 교류는 변압기를 통해 변압이 무척 간단하다는 것이 교류의 최대 장점이다. 손쉽게 전압을 올리거나 내릴 수 있어 전기를 장거리로 보낼 때 매우 유리하다. 이는 직류보다 더 큰 에너지를 사용할 수 있다는 장점이 도니다. 따라서 교류의 최대 특징은 경제성이다

그러나 직류에는 없는 주파수가 있어, 주파수가 서로 맞지 않는 경우 문제가 될 수 있다. 사용할 수 없는 무효전력도 존재하고, 통신선의 유도장애로 인한 잡음 등의 문제도 생길 수 있다. 역률을 지속적으로 관리해줘야하므로 저장 자체가 불가능하기 때문에 생산된 전기를 따로 보관하려면 직류로 변환 후 저장해야하는 불편함도 있다. 전자파가 발생한다는 단점도 있다.

교류의 단점 중 표피효과가 있다. 표피효과는 전선 도체에 흐르는 전류가 주파수가 높아짐에 따라 도체 단면 전체를 균일하게 흐르지 않고 겉부분으로 모여 흐르는 현상이다. 이러한 현상은 주파수가 높을수록 더욱 심하게 일어난다.

그림 3-1. 표피효과의 침투깊이

그림 3-2. 표피효과와 침투깊이 관계

오메가는 각주파수이다. 시그마는 도전율이며, 도전율은 저항률과 역수관계로 전류가 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 비율이다. 뮤는 투자율인데, 투자율은 자기장의 영향을 받아 생기는 자기력선속밀도와 진공 중 나타내는 자기장 세기 비율이다. 정리하면 표피효과는 주파수가 높을수록, 도전율이 높을수록, 투자율이 높을수록, 전선이 굵을수록 잘 일어나며, 표피효과가 적다는 것은 침투깊이가 길다는 것을 의미한다. 이는 실제 전선의 단면적에서 전류가 지나가는 곳의 단면적이 작아지는 것을 의미한다고 볼 수 있다.

표피효과의 침투싶이를 크게 하기 위해 단선보다 연선을 사용하면, 여러 다발의 연선의 경우 한 가닥의 단선보다 침투깊이를 확보할 수 있어 좋다.

3-3. 주파수와 각주파수

주파수는 진동수라고도 하며, 1초 동안 진동한 횟수로 기호는 $f$, 단위는 Hz(헤르츠)이다. 1Hz는 진동이 있을 때 1초에 한 번 왕복운동이 반복됨을 의미한다.

그림 3-3. 주파수 개념

물결의 높이를 진폭이라 하며, 물결에서 가장 높은 봉우리와 그 다음 봉우리 사이 간격을 파장이라 한다. 1번 진동하는 그 자체를 주기라고 표현한다. 같은 시간 내에서 파장이 길다 = 진동수가 적다 = 주파수가 낮다라고 해석할 수 있다.

우리나라 전기의 주파수는 1초에 60회 진동한다. 전 세계적으로 전기 주파수는 50Hz와 60Hz로 나누어진다. 왜 이렇게 50Hz와 60Hz로 나누어 사용할까? 주파수가 높을수록 표피효과로 인해 전력손실이 커지게 된다. 그렇다고 마냥 낮추는 것도 문제가 있다. 전기 주파수가 60Hz라는 건 1초에 120회 동안 전력이 0이 된다는 것이다. 1Hz 주파수는 1초에 1번 왕복으로 진동하면서 (+)에서 (-), 그리고 다시 (-)에서 (+)로 가는 동안 총 2회 전압과 전류가 0이 되기 때문이다. 조명으로 따지면, 1초에 120번 켜지고 꺼지기를 반복하는 것이다. 매우 빠른 시간 일어나 우리 눈이 인식하지 못하는 것 뿐이다. 주파수를 너무 낮추면 이렇게 불이 깜박이는 것이 눈으로 느껴져 생활에 불편함을 초래하게 된다. 그러므로! 50Hz 또는 60Hz 주파수를 사용하는 것이 전 세계 공통인 것이다!

그림 3-4. 전자제품이 요구하는 주파수와 전기의 주파수가 다를 때 나타나는 현상

그림 3-4와 같은 문제로 전자제품이 요구하는 주파수가 국가 전력의 주파수와 일치하는지를 알아보고 사용해야한다.

각주파수는 1초 동안 회전한 수이다. 기호는 $\omega$(오메가)를 사용하고 단위는 rad/s이다. 주파수가 1초 동안 주기가 몇 번 반복되었는지를 말한다면, 각주파수는 주파수에 $2\pi f$ 곱한 것으로 1초 동안 원의 회전이 몇 번 반복되었는지를 의미한다.

3-4. 교류의 실효값, 순시값, 최대값, 평균값

교류전력은 특성상 사인파 곡선 형태로 나타나므로 직관적으로 이해하고 계산하기 어렵다. 교류는 특히 시시각각 크기와 방향이 계속 변하는 벡터개념이다 보니, 실효값, 순시값, 최대값, 평균값 등 어려운 단어와 개념이 나온다.

그림 3-5. 교류의 여러가지 값

교류전력의 실효값은 저항에 동일하게 평균전력을 공급하는 직류전력의 값이다. 즉, 직류전압을 사용하여 발생한 에너지 = 교류전압을 사용하여 발생한 에너지를 말하는 것으로 rms(root mean square)라고도 한다.

그림 3-6. 전압의 실효값

한편, 교류의 최대 전압을 $V_{m}$ 이라 하고, 최대 전류를 $I_{m}$ 이라 하면, 실효값은 다음과 같이 구할 수 있다.

$V_{rms} = \frac{1}{\sqrt{2}} V_{m} = 0.707 V_{m} [V]$
$I_{rms} = \frac{1}{\sqrt{2}} I_{m} = 0.707 I_{m} [A]$

교류의 순시값은 시간에 따라 방향과 크기가 다르기 때문에 임의의 어떤 순간에서의 값을 말한다.

전압 순시값 $v = V_{m} sin(\omega t + \theta) = V_{m} sin(2\pi ft + \theta) [V]$
전류 순시값 $i = I_{m} sin(\omega t + \phi) = I_{m} sin(2\pi ft + \phi) [A]$

$\theta$ , $\phi$ 를 위상이라 한다. 위상은 주기적으로 반복되는 현상에 대해 어떤 시각 또는 어떤 장소에서의 변화의 국면을 말한다.

순시값 중 가장 큰 값을 최대값이라 하며 $V_{m}$ 을 사용한다.

전압의 최대값 $V_{m} = \sqrt{2} V_{rms}$ 전류의 최대값 $I_{m} = \sqrt{2} I_{rms}$

우리나라의 경우 최대값은 $\sqrt{2} \times 220 = 311.13V$ 가 나온다.

평균값은 순시값의 반주기를 평균한 값이다.

그림 3-7. 반주기

그림 3-8. 전압/전류의 평균값

우리가 쓰는 교류 220V의 평균 전압은 $\frac{2 \times 311.13}{\pi} = 198V$ 이다.

전압을 통상 수치로만 이야기하나, 다음 그림처럼 수치에 따라 저압, 고압, 특고압으로 구분한다.

그림 3-9. 전압의 크기에 따른 구분법

우리가 통상 사용하는 전압은 거의 저압인 경우가 많으며, 송배전선로의 경우 특고압이다. 고압은 지하철에서 직류 1500V를 사용하는 경우가 한 예라 볼 수 있다. 교류는 특성상 전압이 너무 높거나 낮으면 정상적으로 제품을 사용하기 어렵거나 고장이 날 수 있다. 따라서 다음 그림 처럼 공칭전압(표준전압)의 오차범위를 설정했다.

그림 3-10. 공칭전압 및 오차범위