교류

상어떼를 가리키는 교류(鮫類)에 대해서는 상어 문서를 참고하십시오.

교류 (녹색 곡선). 가로축은 시간을 측정하며(전압/전류가 0인 지점도 나타냄), 세로축은 전류 또는 전압을 나타낸다.

교류(交流, 영어: alternating current, AC)는 오직 한 방향으로만 흐르는 직류(DC)와 대조적으로, 주기적으로 방향이 바뀌고 시간에 따라 그 크기가 계속 변화하는 전류이다. 교류는 기업과 가정에 전력이 전달되는 형태이며, 소비자가 콘센트에 주방 가전, 텔레비전, 선풍기, 전등을 연결할 때 일반적으로 사용하는 전기 에너지의 형태이다. AC와 DC라는 약어는 흔히 전류나 전압을 수식할 때 각각 단순히 교류와 직류라는 의미로 사용된다.

대부분의 전력 회로에서 교류의 일반적인 파형은 사인파이며, 양의 반주기는 전류의 양의 방향에 대응하고 그 반대도 마찬가지이다(전체 주기를 사이클이라고 한다). "교류"는 가장 일반적으로 전력 배전을 의미하지만, 기술적으로는 교류임에도 불구하고 그 용어로 설명되는 경우가 적은 광범위한 다른 응용 분야도 존재한다. 기타 앰프와 같은 많은 응용 분야에서는 삼각파나 방형파와 같은 다른 파형이 사용된다. 전선을 통해 전달되는 오디오 및 라디오 신호도 교류의 예이다. 이러한 유형의 교류는 소리(오디오)나 이미지(비디오)와 같은 정보를 전달하며, 때로는 교류 반송파 신호의 변조를 통해 전달되기도 한다. 이러한 전류는 일반적으로 전력 송전에 사용되는 것보다 높은 주파수에서 교교한다.

송전, 배전 및 가정용 전력 공급

 이 부분의 본문은 송전 및 배전입니다.

장거리 송전의 도식적 표현. 왼쪽에서 오른쪽으로: G=발전기, U=승압 변압기, V=송전선 시작점의 전압, Pt=송전선으로 들어가는 전력, I=전선의 전류, R=전선의 총 저항, Pw=송전선에서 손실된 전력, Pe=송전선 끝에 도달하는 전력, D=강압 변압기, C=소비자.

전기 에너지는 교류 전압을 변압기로 높이거나 낮출 수 있기 때문에 교류로 배전된다. 이를 통해 전선을 통한 열로 손실되는 에너지를 줄이기 위해 고전압으로 전력을 효율적으로 송전할 수 있으며, 사용을 위해 더 낮고 안전한 전압으로 변환할 수 있다. 더 높은 전압을 사용하면 전력 송전 효율이 현저히 높아진다. 전선에서의 전력 손실($P_{\rm {w}}$)은 전류( I )의 제곱과 전선의 저항(R)의 곱으로, 다음 공식으로 설명된다.

$P_{\rm {w}}=I^{2}R\,.$

이는 주어진 전선에서 고정된 전력을 송전할 때, (전압을 두 배로 하여) 전류를 절반으로 줄이면 전선 저항에 의한 전력 손실이 4분의 1로 줄어든다는 것을 의미한다.

송전되는 전력은 전류와 전압의 곱과 같다(위상차가 없다고 가정할 때). 즉,

$P_{\rm {t}}=IV\,.$

따라서 더 높은 전압에서 송전되는 전력은 동일한 전력을 더 낮은 전압에서 송전할 때보다 손실을 일으키는 전류가 적게 필요하다. 전력은 종종 송전탑에서 수백 킬로볼트로 송전되며, 하위 레벨 선로에서 송전되기 위해 수십 킬로볼트로 강압되고, 최종적으로 가정용으로 100 V – 240 V로 강압된다.

3상 고전압 송전선은 발전소와 소비자 사이의 장거리에 걸쳐 전력을 배전하기 위해 교류를 사용한다. 사진의 선로는 유타주 동부에 위치해 있다.

고전압은 절연 강화가 필요하고 일반적으로 안전한 취급이 더 어렵다는 단점이 있다. 발전소에서는 발전기 설계에 편리한 전압으로 에너지를 생성한 다음 송전을 위해 고전압으로 높인다. 부하 근처에서 송전 전압은 장비에서 사용하는 전압으로 강압된다. 소비자 전압은 국가와 부하 규모에 따라 어느 정도 차이가 있지만, 일반적으로 모터와 조명은 상간 전압이 최대 수백 볼트까지 사용되도록 제작된다. 조명 및 모터 부하와 같은 장비에 공급되는 전압은 표준화되어 있으며, 장비가 작동할 것으로 예상되는 허용 전압 범위가 정해져 있다. 표준 전력 이용 전압과 허용 오차 백분율은 전 세계의 다양한 주요 전력 시스템마다 다르다.

기술이 직류 전력의 전압을 효율적으로 변경하는 수단을 제공함에 따라 고압직류송전(HVDC) 시스템이 더욱 실용화되었다. 송전 초기에는 백열등과 같은 최종 사용자 응용 분야를 위해 직류 전압을 낮추는 경제적으로 실치 가능한 방법이 없었기 때문에 고압 직류 송전은 불가능했다.

3상 발전은 매우 일반적이다. 가장 간단한 방법은 발전기 고정자에 물리적으로 서로 120°(완전한 360° 위상의 3분의 1)만큼 오프셋된 세 개의 별도 코일을 사용하는 것이다. 크기가 같고 서로 120°의 위상차가 있는 세 개의 전류 파형이 생성된다. 이들과 반대편에 코일을 추가하면(60° 간격), 반대 극성을 가진 동일한 위상을 생성하며 함께 연결할 수 있다. 실제로는 더 높은 극수가 일반적으로 사용된다. 예를 들어, 12극 기계는 36개의 코일(10° 간격)을 갖는다. 장점은 동일한 주파수를 생성하기 위해 더 낮은 회전 속도를 사용할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 3600 rpm으로 돌아가는 2극 기계와 600 rpm으로 돌아가는 12극 기계는 동일한 주파수를 생성하며, 대형 기계에는 낮은 속도가 선호된다. 3상 시스템의 부하가 각 상에 균등하게 균형을 이루면 중성점을 통해 전류가 흐르지 않는다. 최악의 불균형(선형) 부하에서도 중성선 전류는 상 전류 중 가장 높은 것을 초과하지 않는다. 비선형 부하(예: 널리 사용되는 스위치 모드 전원 공급 장치)는 고조파를 처리하기 위해 상위 배전반에 대형 중성 버스와 중성 도체가 필요할 수 있다. 고조파는 중성 도체 전류 레벨이 하나 또는 모든 상 도체의 레벨을 초과하게 만들 수 있다.

이용 전압에서의 3상의 경우 4선식이 자주 사용된다. 3상을 강압할 때 델타(3선) 1차측과 스타(4선, 중앙 접지) 2차측을 가진 변압기가 자주 사용되므로 공급측에 중성선이 필요하지 않다. 소규모 고객의 경우(국가 및 설비 연령에 따라 규모가 다름) 단상 및 중성선, 또는 2상 및 중성선만 건물로 인입된다. 대규모 설비의 경우 3상 전체와 중성선이 메인 배전반으로 인입된다. 3상 메인 패널에서 단상 및 3상 회로가 모두 분기될 수 있다. 북미의 주거용 및 소규모 상업용 건물에서는 두 개의 활성 도체를 제공하는 단일 센터 탭 변압기를 사용하는 3선식 단상 시스템이 일반적인 배전 방식이다. 이 배열은 때때로 잘못하여 2상이라고 불리기도 한다. 영국 건설 현장에서도 다른 이유로 유사한 방법이 사용된다. 소형 전동 공구 및 조명은 각 전원 도체와 지면 사이에 55 V의 전압을 갖는 로컬 센터 탭 변압기에 의해 공급되어야 한다. 이는 활성 도체 중 하나가 장비 결함으로 노출될 경우 감전 위험을 크게 줄이면서도 도구 작동을 위해 두 도체 사이에 110 V의 합리적인 전압을 허용한다.

접지선이라고 불리는 추가 전선이 전류가 흐르지 않는 금속 외함과 대지 접지 사이에 연결되는 경우가 많다. 이 도체는 휴대용 가전제품 및 도구의 금속 섀시에 회로 도체가 우발적으로 접촉하여 발생하는 감전으로부터 보호 기능을 제공한다. 전류가 흐르지 않는 모든 금속 부품을 하나의 완전한 시스템으로 결합하면 시스템이 고장을 해결하는 데 걸리는 시간 동안 고장 전류를 운반하기에 충분한 낮은 온저항 경로가 항상 보장된다. 이 낮은 임피던스 경로는 최대량의 고장 전류를 허용하여 과전류 보호 장치(차단기, 퓨즈)가 가능한 한 빨리 작동하거나 타버리게 하여 전기 시스템을 안전한 상태로 만든다. 모든 접지선은 메인 서비스 패널에서 접지에 결합되며, 중성선/식별된 도체가 있는 경우에도 마찬가지이다.

교류 전원 공급 주파수

 국가별 전압 및 주파수 목록 문서에 이 부분의 추가 정보가 있습니다.

전기 시스템의 주파수는 국가마다 다르며 때로는 국가 내에서도 다르다. 대부분의 전력은 50 또는 60 Hz에서 생성된다. 일부 국가는 50 Hz와 60 Hz 공급이 혼재되어 있는데, 특히 일본의 전력 송전이 그러하다.

저주파

저주파는 전동기 설계, 특히 호이스트, 파쇄 및 압연 응용 분야와 철도와 같은 응용 분야를 위한 정류자형 견인 전동기 설계를 용이하게 한다. 그러나 저주파는 호광등과 백열등에서 눈에 띄는 깜빡임을 유발한다. 낮은 주파수를 사용하면 주파수에 비례하는 송전 손실이 낮아지는 장점도 있었다.

원래 나이아가라 폭포 발전기는 철도 견인 및 중량 유도 전동기를 위한 저주파 사이의 절충안으로 25 Hz 전력을 생산하도록 건설되었으며, 백열등 작동도 허용했다(눈에 띄는 깜빡임이 있었지만). 나이아가라 폭포 전력을 사용하는 25 Hz 주거 및 상업 고객의 대부분은 1950년대 후반까지 60 Hz로 전환되었지만, 21세기 초까지도 일부 25 Hz 산업 고객이 존재했다. 16.7 Hz 전력(이전의 16 2/3 Hz)은 오스트리아, 독일, 노르웨이, 스웨덴 및 스위스와 같은 일부 유럽 철도 시스템에서 여전히 사용된다.

고주파

해상, 군사, 섬유 산업, 선박, 항공기 및 우주선 응용 분야에서는 장치의 무게 감소 또는 더 높은 모터 속도의 이점을 위해 때때로 400 Hz를 사용한다. 컴퓨터 메인프레임 시스템은 더 작은 내부 AC-DC 변환 유닛을 사용하면서 리플 감소의 이점을 위해 400 Hz 또는 415 Hz로 전원을 공급받는 경우가 많았다.

고주파에서의 효과

 이 부분의 본문은 표피효과입니다.

직류는 균일한 전도성 전선의 단면 전체에 걸쳐 균일하게 흐른다. 모든 주파수의 교류는 전선의 중심에서 바깥쪽 표면으로 밀려난다. 이는 (전하의 가속 결과인) 교류가 전자기파(전자기 복사로 알려진 현상)를 생성하기 때문이다. 전기 도체는 전자기파에 도움이 되지 않으므로(이상적인 전기 도체는 경계 내의 모든 전자기파를 금지함), 완전하지 않은 도체(무한하지 않고 유한한 전기 전도도를 가진 도체)로 만들어진 전선은 관련 전자기장과 함께 교류를 전선의 중심에서 멀리 밀어낸다. 전류가 도체의 중심에서 밀려나는 현상을 표피효과라고 하며, 직류는 전자기파를 생성하지 않기 때문에 이 효과를 나타내지 않는다.

매우 높은 주파수에서 전류는 더 이상 전선 내부를 흐르지 않고 전선의 표면, 즉 몇 가지 표피 두께 내에서 효과적으로 흐른다. 표피 두께는 전류 밀도가 63% 감소하는 두께이다. 송전에 사용되는 상대적으로 낮은 주파수(50 Hz – 60 Hz)에서도 충분히 두꺼운 도체에서는 여전히 불균일한 전류 분포가 발생한다. 예를 들어, 구리 도체의 표피 두께는 60 Hz에서 약 8.57 mm이므로 대전류 도체는 일반적으로 질량과 비용을 줄이기 위해 속이 비어 있다. 교류가 도체의 주변부에서 주로 흐르는 이러한 경향은 도체의 유효 단면적을 감소시킨다. 저항은 단면적에 반비례하므로 이는 도체의 유효 교류 저항을 증가시킨다. 도체의 교류 저항은 직류 저항보다 높아서 줄 가열(I²R 손실이라고도 함)로 인한 에너지 손실이 더 커진다.

교류 저항을 줄이기 위한 기술

저주파에서 중주파의 경우, 도체를 연선으로 나누고 각 선을 서로 절연시킨 후 개별 가닥의 상대적 위치를 도체 번들 내에서 특별히 배열할 수 있다. 이 기술을 사용하여 제작된 전선을 리츠선이라고 한다. 이 조치는 연선 도체의 전체 단면에 걸쳐 더 균일한 전류를 강제함으로써 표피 효과를 부분적으로 완화하는 데 도움이 된다. 리츠선은 높은 Q 유도자를 만들고, 낮은 주파수에서 매우 높은 전류를 운반하는 유연한 도체의 손실을 줄이며, 스위치 모드 전원 공급 장치 및 무선주파수 변압기와 같이 더 높은 무선주파수 전류(수백 킬로헤르츠까지)를 운반하는 장치의 권선에 사용된다.

방사 손실을 줄이기 위한 기술

위에서 언급했듯이 교류는 주기적인 가속을 받는 전하로 구성되며, 이는 전자기 복사를 유발한다. 방사된 에너지는 손실된다. 주파수에 따라 방사에 의한 손실을 최소화하기 위해 다양한 기술이 사용된다.

연선

약 1 GHz까지의 주파수에서는 전선 한 쌍을 케이블 내에서 함께 꼬아 연선을 형성한다. 이는 전자기 복사 및 유도 결합으로 인한 손실을 줄인다. 두 전선이 같으면서 반대 방향의 전류를 운반하도록 대칭형 신호 시스템에 연선을 사용해야 한다. 연선의 각 전선은 신호를 방사하지만 다른 전선의 방사에 의해 효과적으로 상쇄되어 방사 손실이 거의 발생하지 않는다.

동축 케이블

동축 케이블은 편의를 위해 저주파 이상의 주파수에서 흔히 사용된다. 동축 케이블은 전도성 튜브 내부에 전도성 전선이 있으며, 유전체 층으로 분리되어 있다. 내부 도체의 표면을 흐르는 전류는 외부 튜브의 내부 표면을 흐르는 전류와 크기가 같고 방향이 반대이다. 따라서 전자기장은 튜브 내부에 완전히 갇히며 (이상적으로는) 튜브 외부로 방사되거나 결합되어 손실되는 에너지가 없다. 동축 케이블은 약 5 GHz까지의 주파수에 대해 수용할 수 있을 정도로 작은 손실을 갖는다. 5 GHz 이상의 마이크로파 주파수의 경우, (주로 내부 튜브와 외부 튜브를 분리하는 유전체가 비이상적인 절연체이기 때문에 발생하는) 손실이 너무 커져서 도파관이 에너지를 전달하는 데 더 효율적인 매체가 된다. 동축 케이블은 유전체에 의해 소산되는 전력을 최소화하기 위해 내부 및 외부 도체를 분리하는 천공된 유전체 층을 사용하는 경우가 많다.

도파관

도파관은 동축 케이블과 유사하며 둘 다 튜브로 구성되지만 가장 큰 차이점은 도파관에는 내부 도체가 없다는 것이다. 도파관은 임의의 단면을 가질 수 있지만 직사각형 단면이 가장 일반적이다. 도파관에는 귀환 전류를 운반할 내부 도체가 없기 때문에 도파관은 전류를 통해 에너지를 전달할 수 없고 가이드된 전자기장을 통해 전달한다. 표면 전류가 도파관의 내부 벽을 흐르기는 하지만, 그 표면 전류는 전력을 운반하지 않는다. 전력은 가이드된 전자기장에 의해 운반된다. 표면 전류는 가이드된 전자기장에 의해 형성되며 전자기장을 도파관 내부에 유지하고 도파관 외부 공간으로 전자기장이 누출되는 것을 방지하는 효과가 있다. 도파관은 송전할 교류의 파장과 필적하는 크기를 가지므로 마이크로파 주파수에서만 실용적이다. 이러한 기계적 실용성 외에도 도파관 벽을 형성하는 비이상적인 금속의 전기저항은 전력 소산을 유발한다(손실이 있는 도체에 흐르는 표면 전류는 전력을 소산시킨다). 더 높은 주파수에서 이 소산으로 인해 손실되는 전력은 수용할 수 없을 정도로 커진다.

광섬유

200 GHz 이상의 주파수에서는 도파관 크기가 비실용적으로 작아지고 도파관 벽의 줄 가열 손실이 커진다. 대신 유전체 도파관의 일종인 광섬유를 사용할 수 있다. 이러한 주파수에서는 전압과 전류의 개념이 더 이상 사용되지 않는다.

공식화

사인파 교류 전압.

1. 피크값,
2. 피크-투-피크 진폭,
3. 실효값,
4. 주기

교류 전류는 교류 전압을 동반한다(또는 그에 의해 발생한다). 교류 전압 v는 다음과 같은 방정식을 통해 시간에 대한 함수로 수학적으로 설명될 수 있다.

$v(t)=V_{\text{peak}}\sin(\omega t)$,

여기서

• $V_{\text{peak}}$는 피크 전압(단위: 볼트),
• $\omega$는 각진동수(단위: 초당 라디안)이다.
  각진동수는 물리적 주파수 $f$(단위: 헤르츠)와 $\omega =2\pi f$라는 방정식을 통해 연관되며, 이는 초당 사이클 수를 나타낸다.
• $t$는 시간(단위: 초)이다.

교류 전압의 피크-투-피크 값은 양의 피크와 음의 피크 사이의 차이로 정의된다. $sin(x)$의 최댓값은 +1이고 최솟값은 -1이므로, 교류 전압은 $+V_{\text{peak}}$와 $-V_{\text{peak}}$ 사이를 오간다. 따라서 일반적으로 $V_{\text{pp}}$ 또는 $V_{\text{P-P}}$로 표시되는 피크-투-피크 전압은 $V_{\text{peak}}-(-V_{\text{peak}})=2V_{\text{peak}}$이다.

제곱평균제곱근 전압

 실효값 문서에 이 부분의 추가 정보가 있습니다.

이 주제에 대한 더 자세한 내용은 제곱평균제곱근 전압 문서를 참고하십시오.

한 주기(360°) 동안의 사인파. 점선은 약 0.707인 ${\sqrt {0.5}}$에서의 제곱평균제곱근(RMS) 값을 나타낸다.

아래에서는 (직류 성분이 없는) 교류 파형을 가정한다.

RMS 전압은 순간 전압의 제곱에 대한 한 주기 동안의 평균의 제곱근이다.

• 주기가 $T$인 임의의 주기적 파형 $v(t)$에 대해:

  $V_{\text{rms}}={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{[v(t)]^{2}dt}}}.$

• 사인파 전압에 대해:

  ${\begin{aligned}V_{\text{rms}}&={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}[{V_{\text{peak}}\sin(\omega t+\phi )]^{2}dt}}}\\&=V_{\text{peak}}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _{0}^{T}[{1-\cos(2\omega t+2\phi )]dt}}}\\&=V_{\text{peak}}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _{0}^{T}{dt}}}\\&={\frac {V_{\text{peak}}}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}$

  여기서 삼각함수 항등식 $\sin ^{2}(x)={\frac {1-\cos(2x)}{2}}$이 사용되었으며, ${\sqrt {2}}$ 인수는 파고율이라 불리며 파형에 따라 달라진다.
• 0을 중심으로 하는 삼각파 파형의 경우:

  $V_{\text{rms}}={\frac {V_{\text{peak}}}{\sqrt {3}}}.$

• 0을 중심으로 하는 방형파 파형의 경우:

  $V_{\text{rms}}=V_{\text{peak}}.$

전력

 이 부분의 본문은 교류 전력입니다.

전압과 전달되는 전력 사이의 관계는 다음과 같다.

$p(t)={\frac {v^{2}(t)}{R}}$,

여기서 $R$은 부하 저항을 나타낸다.

순간 전력 $p(t)$를 사용하는 것보다 시간 평균 전력(평균은 정수 사이클 수에 대해 수행됨)을 사용하는 것이 더 실용적이다. 따라서 교류 전압은 종종 $V_{\text{rms}}$로 표시되는 제곱평균제곱근(RMS) 값으로 표현되는데, 그 이유는 다음과 같다.

$P_{\text{average}}={\frac {{V_{\text{rms}}}^{2}}{R}}.$

전력 진동

${\begin{aligned}v(t)&=V_{\text{peak}}\sin(\omega t)\\i(t)&={\frac {v(t)}{R}}={\frac {V_{\text{peak}}}{R}}\sin(\omega t)\\p(t)&=v(t)i(t)={\frac {(V_{\text{peak}})^{2}}{R}}\sin ^{2}(\omega t)={\frac {(V_{\text{peak}})^{2}}{2R}}\ (1-\cos(2\omega t))\end{aligned}}$

이러한 이유로 교류 전력의 파형은 전파 정류된 사인이 되며, 그 기본 주파수는 전압 주파수의 두 배가 된다.

교류의 예

이러한 개념을 설명하기 위해 전 세계 많은 국가에서 사용되는 230 V AC 전원을 생각해보자. 그 제곱평균제곱근 값이 230 V이기 때문에 그렇게 불린다. 이는 전달되는 시간 평균 전력 $P_{\text{average}}$가 230 V의 직류 전압에 의해 전달되는 전력과 동일함을 의미한다. 피크 전압(진폭)을 결정하기 위해 위 방정식을 다음과 같이 재배열할 수 있다.

$V_{\text{peak}}={\sqrt {2}}\ V_{\text{rms}}$

$P_{\text{peak}}={\frac {(V_{\text{rms}})^{2}}{R}}{\frac {(V_{\text{peak}})^{2}}{(V_{\text{rms}})^{2}}}={\text{P}}_{\text{average}}{\sqrt {2}}^{2}={\text{2}}P_{\text{average}}.$

따라서 230 V AC의 경우 피크 전압 $V_{\text{peak}}$는 $230{\text{ V}}\times {\sqrt {2}}$, 즉 약 325 V이고, 피크 전력 $P_{\text{peak}}$는 $230\times R\times W\times 2$, 즉 460 RW이다. 한 주기(전력의 경우 두 주기) 동안 전압은 0에서 325 V까지 상승하고, 전력은 0에서 460 RW까지 상승하며 둘 다 0을 거쳐 떨어진다. 다음으로 전압은 방향을 바꾸어 -325 V까지 내려가지만 전력은 다시 460 RW까지 올라가며 둘 다 다시 0으로 돌아온다.

정보 전송

교류는 전화 및 케이블 텔레비전의 경우와 같이 정보를 전송하는 데 사용된다. 정보 신호는 광범위한 교류 주파수에 걸쳐 전달된다. POTS 전화 신호는 약 3 kHz의 주파수를 가지며, 이는 기저 대역 오디오 주파수에 가깝다. 케이블 텔레비전 및 기타 케이블 전송 정보 전류는 수십에서 수천 메가헤르츠의 주파수에서 교교할 수 있다. 이러한 주파수는 종종 공중을 통해 동일한 유형의 정보를 전송하는 데 사용되는 전자기파 주파수와 유사하다.

역사

교류를 생산하는 최초의 교류 발전기는 1832년 프랑스의 도구 제작자 이폴리트 픽시에 의해 건설된 마이클 패러데이의 원리에 기초한 발전기였다. 픽시는 나중에 당시 더 일반적으로 사용되던 직류를 생산하기 위해 자신의 장치에 정류자를 추가했다. 기록된 가장 초기 교류의 실용적인 응용은 전기요법의 발명가이자 개발자인 기욤 뒤셴에 의해서였다. 1855년, 그는 근육 수축의 전기요법적 트리거링에 교류가 직류보다 우수하다고 발표했다. 교류 기술은 1870년대에 헝가리의 간츠 웍스 회사에 의해, 그리고 1880년대에 세바스찬 지아니 데 페란티, 루시앙 골라르, 갈릴레오 페라리스에 의해 더욱 발전되었다.

1876년 러시아 엔지니어 파벨 야블로치코프는 고전압 교류 선로를 따라 유도 코일 세트가 설치된 조명 시스템을 발명했다. 전압을 바꾸는 대신 1차 권선은 자신이 설계한 하나 또는 여러 개의 전기 양초(호광등)에 연결된 2차 권선으로 전력을 전달하여, 한 등기구의 고장이 전체 회로를 무력화하는 것을 방지하는 데 사용했다. 1878년 헝가리 부다페스트의 간츠 공장은 전기 조명용 장비 제조를 시작했고, 1883년까지 오스트리아-헝가리에 50개 이상의 시스템을 설치했다. 그들의 교류 시스템은 호광등과 백열등, 발전기 및 기타 장비를 사용했다.

변압기

전압을 낮은 수준에서 높은 수준으로 그리고 다시 되돌리기 위한 교류 변압기의 개발은 낮은 전압에서의 발전과 소비, 그리고 도체 비용과 에너지 손실을 절감하면서 고전압으로 장거리를 송전하는 것을 가능하게 했다. 루시앙 골라르와 존 딕슨 깁스가 개발한 양극 개방형 코일 변압기가 1881년 런던에서 시연되었으며, 웨스팅하우스의 관심을 끌었다. 그들은 1884년 런던의 메트로폴리탄 철도를 위한 5개 기차역을 따라 설치된 호광등 및 백열등 전원 공급 교류 시스템과 토리노의 단상 다중 사용자 교류 배전 시스템을 전시했다. 개방형 자기 회로를 가진 이러한 초기 유도 코일은 부하로 전력을 전달하는 데 비효율적이었다. 1880년경까지 고전압 공급 장치에서 저전압 부하로의 교류 송전 패러다임은 직렬 회로였다. 권수비가 1:1에 가까운 개방형 코일 변압기는 전등에 낮은 전압을 제공하면서 송전을 위해 고전압을 사용할 수 있도록 1차측이 직렬로 연결되었다. 이 방법의 본질적인 결함은 단일 전등(또는 다른 전기 장치)을 끄면 동일한 회로에 있는 다른 모든 장치에 공급되는 전압에 영향을 미친다는 것이었다. 직렬 회로의 이러한 문제적 특성을 보상하기 위해 코일을 조정하거나 코일 일부 주변으로 자기 선속을 우회시키는 방법을 사용하는 것을 포함하여 많은 조정 가능한 변압기 설계가 도입되었다. 직류 시스템은 이러한 단점이 없었기 때문에 초기 교류 시스템에 비해 상당한 이점을 가졌다.

영국에서는 1882년부터 런던에서 교류 발전기와 변압기를 개발해 온 세바스찬 드 페란티가 1886년 런던 전기 공급 공사(LESCo)를 위해 그로스브너 갤러리 발전소의 교류 시스템을 재설계했다. 여기에는 그가 직접 설계한 교류 발전기와 골라르 및 깁스와 유사한 이용 부하용 직렬 연결 개방형 코일 변압기 설계가 포함되었다. 1890년에 그는 뎁트퍼드의 발전소를 설계하고 템스강 건너편의 그로스브너 갤러리 스테이션을 변전소로 전환하여 구형 공장을 범용 교류 공급 시스템에 통합하는 길을 보여주었다.

최초의 고효율 폐쇄형 코어 병렬 연결 변압기를 발명한 헝가리의 ZBD 팀(지페르노브스키 카로이, 블라티 오토, 데리 믹사)

헝가리 너지쳉크의 세체니 이슈트반 기념 전시회에 전시된 ZBD 변압기 프로토타입

1884년 가을, 부다페스트 간츠 웍스와 관련된 세 명의 엔지니어인 지페르노브스키 카로이, 블라티 오토, 데리 믹사(ZBD)는 개방형 코어 장치가 전압을 안정적으로 조절할 수 없기 때문에 비실용적이라고 판단했다. 블라티는 폐쇄형 코어의 사용을 제안했고, 지페르노브스키는 병렬 션트 연결의 사용을 제안했으며, 데리는 실험을 수행했다. 1885년 새로운 변압기(나중에 ZBD 변압기로 불림)에 대한 공동 특허 신청에서 그들은 구리 권선이 철사 링 코어 주위에 감기거나 철사 코어에 의해 둘러싸인 폐쇄형 자기 회로를 가진 두 가지 설계를 설명했다. 두 설계 모두에서 1차 및 2차 권선을 연결하는 자기 선속은 공기를 통한 의도적인 경로 없이 거의 전적으로 철 코어의 경계 내에서 이동했다(참조: 토로이달 코어). 새로운 변압기는 골라르와 깁스의 개방형 코어 양극 장치보다 3.4배 더 효율적이었다. 1884년 간츠 공장은 세계 최초의 고효율 교류 변압기 5대를 출하했다. 이 첫 번째 유닛은 다음과 같은 사양으로 제조되었다: 1,400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11.6:19.4 A, 권수비 1.67:1, 단상, 쉘형.

ZBD 특허에는 다른 두 가지 주요 상호 관련 혁신이 포함되어 있었다. 하나는 직렬 연결 대신 병렬 연결 부하를 사용하는 것에 관한 것이고, 다른 하나는 공급망 전압이 이용 부하 전압(처음에는 100 V 선호)보다 훨씬 높을 수 있는(처음에는 140~2000 V) 높은 권수비 변압기를 가질 수 있는 능력에 관한 것이었다. 병렬 연결 전기 배전 시스템에 사용되었을 때, 폐쇄형 코어 변압기는 마침내 가정, 기업 및 공공 장소의 조명을 위해 전력을 제공하는 것을 기술적으로나 경제적으로 가능하게 만들었다.

다른 필수적인 이정표는 1885년 정전압 발전기의 발명으로 '전압원, 전압 집약적'(VSVI) 시스템을 도입한 것이었다. 1885년 초에 세 명의 엔지니어는 또한 전자기 코어의 적층 발명으로 와전류 손실 문제를 제거했다. 블라티 오토는 또한 최초의 교류 전력량계를 발명했다.

채택

1885년 5월, 부다페스트에서 열린 헝가리 국가 박람회에서 데리, 블라티, 지페르노브스키는 현대 교류 조명 시스템의 프로토타입으로 널리 간주되는 대규모 시연을 개최했다. 그들의 시스템은 1,350 V를 제공하는 교류 발전기에서 1,067개의 에디슨 백열등에 전력을 공급하는 75개의 변압기를 병렬로 연결하여 사용했다.

교류 전력 시스템은 1886년 이후 빠르게 개발되고 채택되었다. 그해 3월, 골라르와 깁스 변압기에 기초한 시스템을 설계하던 웨스팅하우스 엔지니어 윌리엄 스탠리 주니어는 그레이트배링턴에서 조명 시스템을 시연했다. 지멘스 발전기의 500 볼트 전압이 3000 볼트로 변환된 후, 6대의 웨스팅하우스 변압기에 의해 다시 500 볼트로 강압되었다. 이 설정을 통해 웨스팅하우스 회사는 그레이트배링턴 메인 스트리트를 따라 있는 20개 상점의 100볼트 백열등 30개에 성공적으로 전력을 공급했다. 그해 가을 간츠 엔지니어들은 로마에 교류 발전기를 갖춘 ZBD 변압기 전력 시스템을 설치했다.

웨스팅하우스 초기 교류 시스템 1887
(미국 특허 373035)

스탠리의 성공에 힘입어 새로운 웨스팅하우스 일렉트릭은 미국 전역에 교류(AC) 전기 인프라를 구축해 나갔다. 웨스팅하우스 및 기타 교류 시스템의 확산은 1887년 말 토머스 에디슨(직류 지지자)의 반발을 불러일으켰으며, 그는 "전류 전쟁"이라 불리는 공개 캠페인에서 교류를 너무 위험하다고 폄하하려 시도했다.

1888년, 그때까지 이러한 시스템에 부족했던 기능적인 교류전동기가 도입되면서 교류 시스템은 더욱 실용성을 얻었다. 유도전동기인 이 설계는 갈릴레오 페라리스와 니콜라 테슬라에 의해 독립적으로 발명되었다(테슬라의 설계는 미국의 웨스팅하우스에 의해 라이선스되었다). 이 설계는 한편으로는 독일의 미하일 돌리보도브로볼스키와 찰스 유진 랜슬롯 브라운에 의해, 다른 한편으로는 스웨덴의 요나스 웬스트룀에 의해 독립적으로 더욱 발전되어 현대의 실용적인 3상 형태로 발전했다. 비록 브라운은 2상 시스템을 선호했지만 말이다.

1890년에 건설된 에임스 수력 발전소는 최초의 수력 교류 발전소 중 하나였다. 오리건주 윌러메이트 폭포의 수력 발전소에서 생산된 단상 전기를 장거리 송전하여 1890년 강 하류로 14마일 떨어진 포틀랜드 시내까지 가로등용 전력을 보냈다. 1891년 콜로라도주 텔루라이드에 또 다른 송전 시스템이 설치되었다. 최초의 3상 시스템은 1891년 독일 프랑크푸르트에 구축되었다. 티볼리- 로마 송전은 1892년에 완료되었다. 샌안토니오 캐니언 발전기는 장거리 전기를 공급하는 미국 내 세 번째 상업용 단상 수력 교류 발전소였다. 이 발전소는 14마일 떨어진 포모나시에 전력을 공급하기 위해 알마리안 윌리엄 데커에 의해 1892년 12월 31일 완공되었다. 한편, 스웨덴의 그렝게스베리 광산에서는 원거리 폭포에서 전력을 전달할 가능성이 탐색되었다. 작은 철공소가 있던 스메예바켄의 헬셴에 있는 45 m 낙차가 선택되었다. 1893년에 3상 9.5 kV 시스템이 400 마력을 15 km 거리로 전달하는 데 사용되어 최초의 상업적 응용이 되었다. 1893년 웨스팅하우스는 시카고 세계 박람회를 위한 교류 시스템을 구축했다. 1893년 데커는 캘리포니아주 레들랜즈 근처의 밀 크릭 1호 수력 발전소라는 교류를 사용하는 미국 최초의 상업용 3상 발전소를 설계했다. 데커의 설계는 10 kV 3상 송전을 통합하고 오늘날 미국에서 사용되는 발전, 송전 및 모터의 완전한 시스템에 대한 표준을 확립했다. 3대의 2상 발전기를 갖춘 원래의 나이아가라 폭포 아담스 발전소는 1895년 8월에 가동을 시작했지만 1896년에야 원격 송전 시스템에 연결되었다. 크로아티아의 야루가 수력 발전소는 이틀 후인 1895년 8월 28일에 가동을 시작했다. 이 발전기의 발전기(42 Hz, 240 kW)는 헝가리 회사인 간츠에 의해 제작 및 설치되었으며, 발전소에서 시베니크시까지의 송전선은 11.5 km 길이었고, 6개의 변전소를 포함한 시립 배전망은 3000 V/110 V였다.

교류 회로 이론은 19세기 후반과 20세기 초반에 빠르게 발전했다. 교류 계산의 이론적 기초에 기여한 주목할 만한 인물로는 찰스 프로테우스 스타인메츠, 올리버 헤비사이드 등이 있다. 불균형 3상 시스템에서의 계산은 1918년 찰스 르제이트 포테스큐에 의해 논의된 대칭좌표법에 의해 단순화되었다.

같이 보기

• 직류
• 임피던스 - 어드미턴스
• 실효치 - 평균치 - 최대치
• 교류회로 - 단상교류 - 삼상교류
• 송전 - 교류송전 - 직류송전
• 변전 - 변전소 - 변전설비
• 배전 - 수전설비 - 삼상4선식 - 삼상3선식 - 단상3선식-
• 대체교류발전기(AAC)
• 전기공학 - 전력공학
• 상용전원주파수
• AC 어댑터