[전기 기초] 9. 용량이 큰 냉난방기가 3상 전력을 사용하는 이유

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

9-1. 단상 전력과 3상 전력의 차이

1. 단상 전력과 3상 전력

가정을 비롯해 많은 곳에서 교류 220V 전압을 이용한 전력을 사용한다. 이를 단상(Single-phase) 교류 220V라고 한다. 그림 9-1 (a)는 3개의 단상 교류를 사용하고 있다. 3개의 단상 교류 전원이 각각의 부하를 담당하고 있다. 이를 하나로 통합한 것이 그림 9-2 (b) 이다. 이러한 교류를 3상(Three-phase) 교류 라고 한다. 3상 교류는 3개의 전원으로 부하를 향해 전류를 흘린다.

그림 9-1. 3상 교류

보통 전력소비가 큰 상점이나 공장 등 산업현장에서는 전선을 3상 교류로 사용한다.

2. 3상 전력의 원리와 합성

전기는 발전기의 터빈이 회전운동을 하면서 전자기유도현상을 일으켜 생산된다. 이때 그림 9-2 처럼 360도를 정확히 3등분 하여 120도 마다 코일을 감고 자석을 돌리게되면 전력이 한 주기 동안 3개가 생긴다. 이렇게 한 주기 동안 위상이 3개의 모습을 가진 전력을 3상 전력(Three-phase eletric power)라 한다. 발전소에서 생산된 A, B, C를 상전압이라 하고, A → B → C 순서로 파형이 변화하는 것을 상순이라 한다.

그림 9-2. 발전소에서 생산된 3상 정현파 교류

3상 전력의 가장 중요한 특징은 합성을 하면 0이 된다는 것이다.

그림 9-3. 3상 교류

그림 9-3의 각 파형이 위상 120도 씩 엇갈리고 있다. 파형 a와 b를 합성하면 그림 9-4의 (b)가 된다. 3개의 파형이 합성되면 그림 9-4의 (c)가 된다. 즉, 3상 교류 파형을 모두 합성하면 0이 되는 것이다. 이는 3상 전력에서 3개의 선이 아닌 1개의 선을 생략하고 2개의 선을 가지고도 사용할 수 있다는 것이다.

그림 9-4. 3상 교류 합성

우리나라 발전기는 3상 발전기를 돌려 3상 전력을 생산한다. 하지만 앞서 우리가 쓰는 220V는 3상이 아닌 단상이라 하였다.

3. 전압선과 중성선

본래 3상으로 생산된 전기는 송전과 배전경로를 타고 이동하는데 전봇대에 있는 변압기에서 중성선이라 하는 선을 뽑는다. 이때 3상의 3개의 선 중 하나의 선과 같이 다니는 것이 단상이다. 즉, 전봇대 주상 변압기에서 상전압선(Phase line)은 (+) 단자에서 사용하고 (-) 단자에서 인출한 3개의 선을 합성하면 중성선이 된다. 중성선은 앞서 언급했듯, 전압이나 전류가 0이 된다.

우리나라는 발전소에서 변전소까지 가는 송전선로는 3상 3선식이고, 변전소에서 전기를 받는 수용가까지 배전선로는 중성선을 포함하여 3상 4선식이다.

전기는 절대로 하나의 선만으로 사용할 수 없고, 최소 2가닥의 선이 있어야 한다. 즉 단상은 3상에서의 한 가닥의 상전압선과 중성선, 이렇게 2가닥으로 되어 있는 것(단상 2선식)을 말한다. 이 때 한 가닥의 상전압선의 전압을 상전압이라 하며, 최종적으로 우리가 쓰는 상전압은 220V이다. 상전압선을 보통 전압선이라 한다. 그래서 단상은 전압선과 중성선의 2가닥으로 되어 있다.