전기의 기초 지식 - 직류와 교류의 차이

전기

 

직류와 교류의 차이

가까이에 사용하고 있는 전기에는, 직류와 교류가 있습니다. 벽의 콘센트에서 취할 수 있는 100V의 전원은 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 저하해 가지만, 플러스 방향의 전압인 것은 변화하지 않습니다. 교류 전원은 일정한 주기로 전압의 플러스와 마이너스가 변화하는 전원이 됩니다.

가정 내에서 사용하고 있는 전기 기기는, 교류인 채로 사용할 수 없는 경우가 많아, 교류를 직류로 변환해 전원 공급하고 있습니다. 소형 전기 기기에 100V는 전압 과대인 경우도 많기 때문에 5~24V 정도의 작은 전압으로 변환하고 있는 경우도 있습니다.

가정 내에서 사용되는 전기의 대부분은 직류이며, 교류로 송전되는 주택에서는 직류로 변환할 때의 전력 손실도 크게 발생하고 있습니다. 그러나 발전소에서 변전소를 거쳐 가정에 전달되는 전원은 교류가 됩니다.

이러한 현황에 의하면, 「전력회사의 발전소에서 직류전원을 만들어, 직류인 채 가정에 송전한다」는 것으로, 전력 손실이 없어진다고 생각하기 쉽지만, 발전소에서 가정까지 직류로 송전하는 공식은 사실 대중적이지 않습니다.

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

업무 시설이나 주택에 공급하는 전력은, 전동기의 운전에 한정된 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 고전압으로 송전되어 도심부에 가까워짐에 따라 강압시킬 수 있습니다.

단독 주택 등 소규모의 수요가에서는 200V나 100V의 전압이 공급되고 있지만, 교류 송전에서는 변압기에 의해 전압을 자유자재로 조정 가능하기 때문에, 발전소로부터 변전소에서는 수십만 볼트, 변전소 부터 주택의 부근까지는 6,600V, 주택의 부근의 기둥상 변압기로 200V에 강압하는 등 필요한 장소마다 전압을 조정하는 방법을 채용할 수 있습니다. 이 방법에 의해, 송배전의 설비 비용을 최소한으로 유지하는 것이 가능합니다.

교류 전원의 용이한 전압 변환에 대해, 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 DC라고 하는 흐름이 됩니다.

컨버터 본체의 비용, 변환시의 손실 등이 쓸데없는 에너지가 되어, 컨버터의 설치에 걸리는 비용이나 설치 스페이스, 메인터넌스 등의 볼륨도 증가하기 때문에, 일반적으로 보급되어 있지 않고 직류의 변압은 어렵다고 여겨지고 있습니다.

 

사고시의 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 버려, 코스트 업으로 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 부여해야 합니다.

교류 전원을 생각하는 경우 「정현파의 최대치」라고 하는 생각이 있습니다. 일반적으로 100V라고 불리는 것은 전압의 실효치이며, 실제로는 √2~0~-√2의 전압의 변이가 발생하고 있습니다. 실효치로 100V의 전압을 인가한 전기 기기에는 순간적으로 141V의 전압이 인가됩니다.

직류전원이라면 100V는 항상 100V인 채로, 약간의 맥동을 제외하고 플러스 마이너스의 변동도 없이 일정한 값을 나타낸다. 교류의 경우는 100V를 확보하기 위해 141V ~ -141V라는 변동 전압을 견디는 전기 기기가 필요하기 때문에, 본래 100V의 성능으로 좋은 전기 기기라도 141V의 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 영향을 받는

교류 전원은 코일과 콘덴서의 영향을 받는 특성이 있으며, 이는 교류의 단점으로 꼽힙니다. 전력 분야에서는 페런치 효과라고 불리는 송전단 전압보다 수전단 전압이 높아지는 현상이 있어, 장거리를 부설한 전력 케이블로 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 페런치 효과에 의한 전압의 영향은 없고, 안정된 전력 공급이 가능합니다.

 

직류 전원의 장점

송전선이 단순화

직류로 송전하는 경우, 교류 송전과 달리 어느 전압 영역에서도 플러스와 마이너스의 2개의 전선으로 송전 가능합니다. 교류 송전도 전선 2개로 보내지지만, 단상 2선식은 100V만으로 한정되어, 효율이 나쁘기 때문에 송전선에서는 채용되고 있지 않습니다.

 

역률을 고려하지 않아도 된다

직류 송전은 전압과 전류에 위상차가 없기 때문에 진행이나 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 쇼크가 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 엄청납니다.

 

전식작용이 강함

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 전배관은 미주 전류의 영향을 받아 부식하는 문제가 발생합니다.

 

유지보수 부품이 많음

교류의 전동기는 철심을 고정하고 자석을 회전시키는 방식이기 때문에, 자석의 베어링 부분이 메인터넌스 대상이 됩니다. 점검항목이 적어, 기기의 마모를 최소한으로 하고, 메인터넌스 비용을 저감할 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.

 

지역별 전원 주파수와 전압의 차이

일본의 경우, 전원 주파수는 동일본에서 50Hz, 서일본에서는 60Hz로 나뉘어 있어, 니가타·군마·사이타마·야마나시를 경계로 하고, 시즈오카를 분단하는 형태로 동일본과 서일본에서 주파수가 다릅니다. 물론 우리나라 대한민국에서는 60Hz만 사용하고 있습니다. 국가별로 주파수가 다소 차이가 발생할 수 있으니 유의해야 합니다.

주파수의 차이는 교류 전동기의 회전 속도에 그대로 영향을 미칩니다. 주택용의 가전제품에서는, 인버터 등에 의해 입력 주파수를 변환해, 어느 지역에서도 사용할 수 있도록 하고 있는 것이 많지만, 구식의 세탁기에서는 주파수 전환 스위치를 설치한 지역에 맞출 필요가 있습니다. 범용 팬이나 변압기에 전환 스위치 등 존재하지 않고, 주파수가 다른 지역에서 전기 기기를 사용해서는 안 된다고 하는 제한이 설치되어 있습니다.

전동기나 팬은 설치하는 지역의 주파수에 맞춘 제품이 만들어지고 있습니다. 환기팬이나 펌프 등 간단한 회전기계에서는 현재도 50[Hz]용과 60[Hz]용이 별도로 제작되고 있습니다.

변압기는 마찬가지로 지역에 따라 주파수를 변경하도록 설계되었습니다. 전동기류는 주파수에 따라 회전 속도가 달라지기 때문에 설치하는 지역을 잘못하면 능력이 10%~20%도 변동해 버려 소정의 성능을 발휘할 수 없습니다.

형광등 등, 인버터를 내장하고 있는 전기 기기이면, 전원의 헤르츠 프리나 볼트 프리가 일반화하고 있어 신축 물건에서의 기구 선정에서는 어느 주파수에서도 지장 없습니다. 인버터 장치를 갖지 않는 구형 형광등은 설계 주파수와 다른 전원을 공급하면 발열이나 점등 불량의 원인이 됩니다. 기구의 재이용이나 이설할 경우, 주의가 필요합니다.

 

전기 기기의 주파수 차이와 사용 가능 여부

50[Hz]와 60[Hz] 모두 사용할 수 있는 헤르츠 프리 인버터식 형광등 기구를 제외하고, 글로우식 형광등, 래피드식 형광등은 각각 기기에 정해진 주파수의 지역에서 사용하지 않으면 하지 않습니다. 설계 주파수와 다른 전원을 공급하면 기기의 이상 발열에 의한 소손으로 이어집니다.

 

글로우식 형광등의 주파수에 따른 차이

글로우식 형광등은 60[Hz] 전용 안정기를 50[Hz] 전원으로 사용하면 밝기가 증가하지만 램프 수명이 짧아져 안정기의 이상 과열을 일으킵니다.

50[Hz] 전용 안정기를 60[Hz] 전원으로 사용하면 밝기가 저하되고 램프 수명이 짧아집니다. 안정기의 이상 과열은 발생하지 않지만 시동 불량이 되어 점등하지 않는 경우가 있습니다.

둘 다 정상적인 운용이 아니라 고장의 원인이 되기 때문에 피해야 합니다.

 

신속한 형광등의 주파수에 따른 차이

래피드식 형광등의 60[Hz] 전용 안정기를 50[Hz] 전원으로 사용하면 밝기가 저하되고 램프 수명이 짧아집니다.

50[Hz] 전용 안정기를 60[Hz] 전원으로 사용하면 밝기가 증가하지만 램프 수명이 짧아집니다. 안정기가 이상 과열되어 입력 전류도 증가하기 때문에 발열·발화의 위험성이 높아집니다.

주파수의 차이에 의해, 형광등 안정기에 과도한 부담이 발생하여, 이상 발열이나 소손 사고의 원인이 됩니다. 램프의 수명이 현저하게 변화하고 기대 수명을 만족할 수 없습니다. 신속한 형광등과 글로우 형 형광등은 주파수에 따라 완전히 역 현상이되지만 두 경우 모두 안정기를 손상시킬 수 있으므로주의가 필요합니다.

 

HID 조명의 주파수에 따른 차이

60[Hz]용 HID 안정기를 50[Hz]로 사용하면 안정기의 온도 상승으로 이어져 수명이 짧아집니다.

50[Hz]용 HID 안정기를 60[Hz]로 사용하면 램프의 안정 점등까지의 시간이 길고 램프는 어두워지고 수명이 짧아집니다.

둘 다 수명을 낮추기 때문에 적절한 주파수에서의 사용이 원칙입니다.

 

변압기의 주파수 차이로 인한 사용 가능 여부

변압기는 60[Hz]용 변압기와 50[Hz]용 변압기를 별도로 제작하고 있어 국가에 따라 구분이 필요합니다. 변압기의 특성상 동일본용의 50[Hz]대응 변압기는 60[Hz]의 서일본에서 사용할 수 있지만, 60[Hz]용 변압기를 50[Hz]지역에서 사용할 수 없습니다. 이와 같이 일본은 두 가지 주파수를 사용하고 있고, 대한민국은 60[Hz] 한 가지만 사용합니다.

철심의 자속이 주파수 감소에 의해 커지고, 변압기의 단면적이 부족하기 때문에, 여자 전류, 여자 돌류 전류가 증대합니다. 무부하 손실이 대폭 증가하고, 소음이나 진동이 매우 커져 위험합니다.

50[Hz]용 변압기를 60[Hz] 지역에서 사용한 경우, 여자 전류나 무부하 손실이 감소하여 효율이 좋아지지만, 단락 임피던스의 증가나 전압 변동률의 증가라는 변화를 일으킵니다. 지역의 특성을 고려하고 설계된 변압기를 사용하는 것이 원칙입니다.