[전기 특집] 전기의 기초 지식 1부: 직류와 교류의 차이와 장단점

[전기 특집] 전기의 기초 지식 1부: 직류와 교류의 차이와 장단점

 

전기의 구조, 발전소로부터 가정에 보내지는 전기의 흐름, 직류와 교류의 차이 등 전기의 기초 지식에 대해 소개합니다.

 

전기는 어디에서 만들어져, 어떻게 옮겨져 오는가 하는 기본적인 전기의 구조로부터, 전기를 흘려 보내기 위한 도체와 반도체, 절연체의 차이 등, 전기의 기초 지식을 배울 수 있습니다.

 

전기의 잡학 지식 외에, 오일 히터나 전기 주전자, 공기 청정기 등, 가정용의 백색 가전에 대한 해설과 함께 소비 전력을 적게 억제해 전기 요금을 절약하는 똑똑한 사용법이나, 가전의 구조 및 동작 원리와 같은 기술적인 내용도 소개합니다.

 

이 시리즈에서는 전기설비의 전문 설계에 관한 기술 소개를 최소화하고, 읽기 쉽고 알기 쉬운 형식으로 정보를 제공하고자 합니다.

 

직류와 교류의 대립

 

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직류와 교류의 차이

 

우리가 매일 사용하고 있는 전기에는 직류와 교류가 있습니다. 벽에 있는 콘센트에서 취할 수 있는 220V의 전원은 60Hz의 교류 전원입니다. 참고로 일본의 경우는 100V의 전원에 50Hz 또는 60Hz의 교류 전원입니다. 대조적으로, 건전지와 AC 어댑터에서 얻은 전원은 직류 전원입니다.

 

직류 전원은 항상 일정한 전압을 유지하고 있는 전원으로, 건전지나 축전지는 사용할수록 소모되어 전압이 감소하지만, 플러스 방향의 전압인 것은 변화하지 않습니다. 교류 전원은 일정한 주기로 전압의 플러스와 마이너스가 변화하는 전원이 됩니다. 쉽게 말하면, 건전지의 플러스 극이 계속해서 바뀐다고 생각해 보세요. 장난감에 미리 정해진 양극과 음극에 맞춰 건전지를 넣어야 하는데 극이 계속 바뀌면 대책이 없겠죠? 그래서 건전지는 직류입니다.

 

가정 내에서 사용하고 있는 전기 기기는, 교류인 채로 사용할 수 없는 경우가 많아, 교류를 직류로 변환해 전원을 공급하고 있습니다. 소형 전기 기기에 220V는 전압 과대한 경우도 많기 때문에 5~24V 정도의 작은 전압으로 변환하고 있는 경우도 있습니다. 참고로 미국은 120V, 일본은 100V입니다.

 

가정내에서 사용하고 있는 전기의 대부분은 직류이며, 교류로 송전되는 주택에서는, 직류로 변환할 때의 전력 손실도 크게 발생하고 있습니다. 그러나 발전소에서 변전소를 거쳐 가정에 전달되는 전원은 교류입니다. 즉, 가정까지 송전은 교류로 하고, 가정에서는 직류로 변환해서 사용하고 있습니다.

 

그렇다면 "전력 회사의 발전소에서 직류로 전기를 만들고 직류 그대로 가정에 송전하면 안 되나?"고 물을 수도 있습니다. 전력 손실도 없고 더 좋을 것이라고 생각하겠지만, 발전소에서 가정까지 직류로 송전하는 것은 사실 일반적이지 않습니다. 물론 가능하긴 합니다. 이에 대해서는 나중에 다루겠습니다.

 

국내 직류 송전 방식으로 유명한 것은 전기철도의 전원이 있습니다. 직류전원은 모터류의 동작이 양호하고, 저속·고속으로의 속도 변경에 대한 반응이 좋기 때문에, 전동기의 운전이 대부분을 차지하는 전기철도에는 최적입니다.

 

업무 시설이나 주택에 공급하는 전력은, 전동기의 운전에 한정한 사용 방법이 아니고, 전열, 전자 기기의 구동 등, 수많은 용도가 있습니다. 전력의 범용성이 중시되기 때문에, 여전히 교류 송전이 주류가 됩니다.

 

 

교류 송전의 장점

 

변압이 용이

교류 송전의 가장 큰 장점은 변압 가능하다는 것입니다. 발전소로부터 공급되는 전압은 수십만 볼트의 높은 전압으로 송전되어 도심부에 가까워짐에 따라 강압시킬 수 있습니다.

 

단독 주택 등 소규모의 수용가에서는 220V의 전압이 공급되고 있지만, 교류 송전에서는 변압기에 의해 전압을 자유자재로 조정 가능하기 때문에, 발전소에서 변전소에서는 수십만 볼트, 변전소로부터 주택 부근까지는 66,000V, 주택 부근의 기둥상 변압기로 220V로 강압하는 등 필요한 장소마다 전압을 조정하는 방법을 채용할 수 있습니다. 이 방법에 의해, 송배전의 설비 비용을 최소한으로 유지할 수 있습니다.

 

교류 전원의 용이한 전압 변환에 비하여, 직류 전원을 강압시키기 위해서는, 직류를 교류로 변환시키는 컨버터를 통과하고, 교류를 변압기로 강압시키고, 다시 컨버터를 통해 직류로 변환하는 순서가 필요합니다. 고압 DC → 고압 AC → 변압 → 저압 AC → 저압 DC의 흐름이 됩니다.

 

컨버터 본체의 비용, 변환시의 손실 등이 쓸데없는 에너지가 소모되며, 컨버터의 설치에 걸리는 비용이나 설치 공간, 유지보수 등의 비용도 증가하기 때문에, 일반적으로 보급되어 있지 않고 직류의 변압은 어렵다고 여겨지고 있습니다. 물론 일반적인 경우에 한해서 입니다.

 

사고시 차단이 용이

교류 회로는 플러스 전압과 마이너스 전압을 교대로 반복하는 특성을 갖습니다. 전기를 정지시키고 싶을 때나, 사고에 의해 강제적으로 차단해야 하는 경우, 전류 제로의 순간을 이용해 차단하면, 전기 계통이나 차단기 본체에 주는 쇼크를 최소한으로 할 수 있습니다.

 

직류 송전에서는, 항상 플러스 방향의 전압이 유지되고 있기 때문에, 차단이 어렵다는 특성이 있어, 보호 장치의 규모나 구조가 복잡하고 대규모가 되어 비용 증가로 이어집니다.

 

 

교류 전원의 단점

 

목표 전압보다 높은 전압 필요

백열 전구나 전열 기기에 전압을 인가했을 때, 교류 전원은 항상 플러스와 마이너스의 변화를 반복하고 있어 전압과 전류가 0이 되는 순간은 전력이 발생하지 않고, 발열을 할 수 없습니다. 소정의 열량을 얻고 싶은 경우에는 목표 전압보다 큰 전압을 주어야 합니다.

 

교류 전원을 생각하는 경우 「정현파의 최대치」라고 하는 생각이 있습니다. 일반적으로 220V라고 불리는 것은 전압의 실효치이며, 실제로는 √2~0~-√2의 전압의 변이가 발생하고 있습니다. 실효치로 220V의 전압을 인가한 전기 기기에는 순간적으로 310V의 전압이 인가됩니다.

 

직류 전원이라면 220V는 항상 220V로 남아 있으며, 약간의 변동을 제외하고 플러스 마이너스의 변동 없이 일정한 값을 나타냅니다. 교류의 경우는 220V를 확보하기 위해 310V ~ -310V라는 변동 전압을 견디는 전기 기기가 필요하기 때문에, 본래 220V의 성능으로 좋은 전기 기기라도 310V의 절연 성능이 요구됩니다.

 

즉, 직류 기기보다 교류 기기가 더 높은 전압을 견딜 수 있는 절연 성능이 필요합니다. 절연 성능의 강화에 의해 전기 기기가 커지거나 제조 비용이 높아지는 것도 생각할 수 있습니다.

 

코일과 콘덴서 성분의 영향

교류 전원은 코일과 콘덴서의 영향을 받는 특성이 있으며, 이는 교류의 단점으로 꼽힙니다. 전력 분야에서는 페란티 효과라고 불리는 송전단 전압보다 수전단 전압이 높아지는 현상이 있으며, 장거리를 부설한 전력 케이블에서 발생합니다. 케이블과 대지에 발생하는 정전 용량이 영향을 받고, 진상 콘덴서를 설치한 것과 같이 역률을 진행시킵니다.

 

전력 계통이 ​​진행 역률측으로 너무 흔들리면, 송전 전압보다 수전 전압이 높아지는 계통 이상으로 이어집니다. 직류 계통이면 페란티 효과에 의한 전압의 영향은 없고, 안정된 전력 공급이 가능합니다.

 

 

직류 전원의 장점

 

송전선이 단순화

직류로 송전하는 경우, 교류 송전과 달리 어느 전압 영역이라도 플러스와 마이너스의 2개의 전선으로 송전 가능합니다. 교류 송전도 전선 2개로 보내지지만, 단상 2선식은 220V에만 한정되어 효율이 나쁘기 때문에 송전선에서는 사용되지 않습니다.

 

역률을 고려하지 않아도 좋다.

직류 송전은 전압과 전류에 위상차가 없기 때문에 지연이 발생하지 않습니다. 교류 회로에서는 문제가 되는 「무효 전력」을 0으로서 송배전 기기를 설계할 수 있습니다.

 

 

직류 전원의 단점

 

전류 차단이 어렵다.

DC 송전에는 몇 가지 단점이 있습니다. 교류 전원은 플러스 제로 마이너스라는 전압 주기를 반복하고 있기 때문에 전원을 차단할 때는 제로의 순간을 노리고 가장 충격이 적은 전원 차단이 가능합니다.

 

직류 전원은 항상 플러스 방향으로 전압이 인가되기 때문에 전압 제로의 순간이 없습니다. 전류가 크게 흐르는 동안 강제 차단은 차단 실패로 이어지므로 위험합니다. 분리된 부분에 아크가 계속 발생하여 전류가 차단되지 않고, 방전이 일으키는 열에 의한 소손도 우려됩니다.

 

직류 차단기에서는 콘덴서를 개극 부분에 병렬 접속하고, 차단시에는 직류 회로에 콘덴서 방전에 의해 전류를 겹쳐 전류 제로의 순간을 강제적으로 일으켜 차단한다는 기술이 사용되고 있습니다. 구성이 복잡하고 교류 회로보다 장비가 비싸고 비용이 많이 듭니다.

 

전식 작용이 강하다

직류 전원은 항상 플러스 방향과 마이너스 방향이 일정하고, 마이너스 방향측의 전로에 접속된 금속체는 전식 작용에 노출됩니다. 전원에 있어서는, 플러스측에서는 부식 작용이 있어 마이너스측이 부식하기 쉬워진다는 특성이 있습니다.

 

전기철도에서는 침목 정도로 대지와 레일은 완전히 절연할 수 없기 때문에 대지를 통해 부근에 미주전류를 유출시킵니다. 선로에 병주하여 매설되어 있는 금속제의 수도관이나 전선 배관은 미주 전류의 영향을 받아 부식하는 문제가 발생합니다.

 

유지보수 부품이 많음

교류의 전동기는 철심을 고정하고 자석을 회전시키는 방식이기 때문에, 자석의 베어링 부분이 유지보수 대상이 됩니다. 점검 항목이 적어 기기의 마모를 최소한으로 유지하여 유지 보수 비용을 줄일 수 있습니다.

 

직류 전동기는 자석을 고정하고 철심을 회전시키는 방식이기 때문에 접점 부품이 많습니다. 슬립 링이나 브러시를 이용한 전동기는 마모에 의한 오염이나 열화가 현저하고, 청소 빈도나 부품 교환 빈도가 높다는 특성이 있습니다. 교류 전동기보다 유지 보수 비용이 높은 것은 단점으로 꼽힙니다.

 

 

참고할만한 다른 자료들

 

전기의 기초 지식 - 직류와 교류의 차이 (tistory.com)

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