3상 교류(3 phase Alternate Current)의 생성

3상 교류(3 phase Alternate Current)의 생성

[그림 1-123] 위상차 120°인 3상 교류의 생성

그림 1-123과 같이 권수가 같은 3개의 코일 u, v, w를 120° 간격을 두고 철심에 감는다. 그리고 회전자석으로는 영구자석이나 전자석을 이용할 수 있다. 각각의 코일에 0점이 중심에 위치한 직류전압계를 연결하고 자석 NS를 일정한 속도로 회전시킨다.

【결과1】 자석 NS가 1회전하는 동안에 3개의 전압계의 지침은 코일의 순서에 따라 차례로 좌측과 우측으로 각각 한 번씩 움직였다가 다시 원점으로 복귀하게 된다.

자극(또는 자석)이 회전할 때, 각 코일에는 그림 1-124와 같은 사인파 교류가 발생된다. 그리고 이들 3코일에 유도된 교류전압은 주파수가 같고 또 크기도 같다.(코일의 권수가 같을 경우). 다만 시간적으로 서로 120°의 위상차 또는 주기를 두고 연속적으로 발생된다. 즉, 코일의 공간적 위치 차이가 전압의 시간적 위상차로 변환되었다.

이와 같이 120°의 위상차를 두고 연속적으로 발생되는 교류를 3상 교류라 한다. 이에 대해 처음부터 하나 또는 3상 교류 중의 1상을 별도로 사용하는 경우를 단상교류라 한다. 그리고 3개의 코일 각각에 유도된 전압을 상 전압(phase voltage)이라 한다.

[그림 1-124] 3상 교류전압의 위상차

(2) 3상 코일의 결선방법

3 코일의 결선 방법에는 스타(star) 결선법과 델타(delta) 결선법이 있다.

① 스타 결선(star connection Sternschaltung) - 표시기호 Y

[그림 1-125] 스타(star) 결선

이 방법은 그림 1-125와 같이 각 코일의 한 끝 U2, V2, W2를 한데 묶어 이를 중성점(또는 공통점)으로 하고, 나머지 한 끝 U1, V1, W1로부터 각각 1개씩의 선을 끌어내는 방식이다. 이 방식을 Y결선이라고도 한다.

(참고) 중성점에서 1개의 선을 별도로 끌어내 4선을 이용하는 방법도 있다.

U1, V1, W1과 중성점(N) 사이의 전압을 상 전압(phase voltage ; U_P)이라 하고 U1 ↔ V1, V1 ↔ W1, W1 ↔ U1 사이의 전압을 선간전압(line-to-line voltage ; U_L)이라 한다.

[그림 1-126] 스타 결선 시의 위상도

(a) 전류 위상도

(b) 전압 위상도

3상 스타 결선에서는 그림 1-126(a)와 같이 상전류(phase current : I_P)와 선 전류(line current : I_L)는 서로 같다.

그리고 선간전압(U_L : U₁₂, U₂₃, U₃₁)과 상전압(U_P : U_1N, U_2N, U_3N) 사이의 관계는 아래와 같다.[그림 1-126(b) 전압 위상도 참조].

여기서 을 결선계수(connection factor)라 한다. 그리고 전력은 각 상전력의 합으로 나타낸다. 따라서 스타결선의 전력(유효전력) P는 상전력의 3배이다.

② 델타 결선(delta connection : Dreieckschaltung) - 표시기호 Δ

[그림 1-127] 델타 결선(Δ 결선)

이 방식은 그림 1-127과 같이 각 코일의 끝을 차례로 연결하고, 각 코일의 연결점에서 한 선씩 끌어낸 방식이다.

델타(Δ)결선에서는 상전압(U_P)과 선간전압(U_L)이 서로 같다. 그러나 선전류(I_L)는 2개의 상전류(I_P)로부터 구한다. 전류 위상도[그림 1-128]를 이용하여 기하학적으로 구하면 다음과 같다.

[그림 1-128] 델타(Δ)결선 위상도

(a) 전압 위상도

(b) 전류 위상도

(c) 상전류와 선전류

그리고 전력(유효전력) P는 상전력의 3배가 된다.

이와 같이 3상 전력은 결선방법에 관계없이 서로 같다. 따라서 다음 식으로 나타낼 수 있다.

그러나 전압은 스타(Y)결선이, 전류는 델타(Δ)결선이 각각 배 크다.

자동차용 3상 교류발전기는 선간전압이 높은 스타(Y)결선을 주로 사용한다. 이는 저속, 특히 공전속도에서도 충전이 가능한 전압을 확보하기 위해서이다.

 

출처 : 3상 교류발전기 [3-phase AC-generator, Drehstromgenerator] (최신자동차공학시리즈 3 - 첨단자동차전기전자, 2012.9.5, 도서출판 골든벨)