58. 전력

1. 배전과 가정 전원의 개요

전기는 발전소에서 생산된 후 변압기를 거쳐 고압으로 송전되며, 최종적으로 배전 시스템을 통해 각 가정과 산업 현장으로 공급됩니다. 일반 가정에서는 단상 전기(AC 220V 또는 110V)를 사용하지만, 공장이나 대형 건물에서는 3상 전력(Three-Phase Power)을 사용합니다.

3상 전력 시스템은 송전 효율이 높고, 전력 손실을 최소화할 수 있어 대규모 전력망에서는 필수적인 요소입니다. 특히 전기차 충전 인프라와 산업용 전력 공급에서 3상 전기는 필수적이며, 전력 계산 방식도 단상과 차이가 있습니다.

 

2. 3상 전기란?

3상 전력은 세 개의 전압이 120도 위상차(Phase Difference)를 가지고 변동하는 교류(AC) 시스템입니다.

이는 다음과 같은 특징을 가집니다.

  -  3상 전기의 특징

   3개의 상(R, S, T) 간 120도의 위상 차이

   전압이 서로 상쇄되지 않고 균일한 전력 공급 가능

    모터와 같은 산업용 장비에서 높은 효율 제공

    대형 전력망에서 안정적인 전력 분배 가능

  -  3상 전기의 발전 원리

    발전기 내부에는 3개의 코일이 120도 간격으로 배치되어 있으며, 회전하는 자석(로터)이 이 코일을 지나가면서

    교류 전압을 생성합니다.
    이 과정에서 생성된 전압은 위상차가 120도인 3개의 독립적인 전력선(R, S, T)으로 출력됩니다.

 

 

3. 송전에서 승압이 필요한 이유

 

전력을 먼 거리로 송전할 때는 전압을 높이고(승압), 전류를 낮추는 것이 효율적입니다.
그 이유는 다음과 같습니다.

    - 전력 손실 감소

        전선에서 발생하는 전력 손실은 P = I²R로 계산됩니다.
        여기서 I(전류)를 낮추면 손실이 급격히 줄어들기 때문에, 전압을 높이는 것이 필수적입니다.

    - 변압기(Transformer) 이용

        발전소에서는 10kV ~ 30kV로 전력을 생산합니다.

        이를 765kV, 345kV, 154kV 등으로 승압하여 송전합니다.

        최종 배전 시 다시 22.9kV → 380V/220V로 강압하여 가정과 산업에 공급됩니다.

 

 

4. 3상 전력의 위상차 120도의 의미

 3상 전기는 각 위상이 120도 차이를 갖도록 설계되어 있으며, 이는 다음과 같은 이점을 제공합니다.

    - 균일한 전력 공급

        단상 전기는 전력이 순간적으로 0V가 되는 순간이 있지만,
        3상 전력은 항상 일정한 전력이 흐르도록 보장됩니다.

    -  모터 구동 시 높은 효율

        3상 전력은 모터에 균등한 전력을 제공하여 회전 속도가 일정하게 유지됩니다.

 

 

5. 단상과 3상 전력의 차이 및 계산 방법

    전력 계산 방법은 단상과 3상이 다릅니다.

    - 단상 전력 계산 (Single-Phase Power)

        단상 전력은 다음 공식으로 계산됩니다.

            V: 전압 (예: 220V)

            I: 전류 (A)

            cosθ: 역률(일반적으로 0.8~1)

    예제:
        220V, 10A, 역률 0.9인 부하의 경우

 

  - 3상 전력 계산 (Three-Phase Power)

    3상 전력 계산은 아래 공식을 사용합니다.

  Root3 을 곱하는 이유는 일반적으로 3상전력의 특성을 따르는데 다음장에 자세히 다루겠습니다. 

  V: 선간전압 (예: 380V)

   I: 선전류 (A)

   cosθ 역률

예제:
380V, 10A, 역률 0.9인 부하의 경우

 

6. 각국의 전기 시스템

세계 각국은 다양한 전압과 주파수를 사용합니다.

국가	전압(V)	주파수(Hz)
한국	220V / 380V	60Hz
미국	120V / 240V	60Hz
일본	100V / 200V	50Hz / 60Hz
유럽	230V / 400V	50Hz
중국	220V / 380V	50Hz

 주의: 전압과 주파수가 다르면 전자기기가 정상적으로 작동하지 않을 수 있습니다.

          흔히 말하는 Free Voltage (110V~220V) 인가 가능한 제품을 가지고 해외로 가는 것이 좋을 수 있습니다.

          단순 실수로 인가 전압 영역 밖의 잘못 된 전원 인가 시 고장의 위험이 있습니다.

 

 

7. 전기차 충전기의 종류 및 전력 구조

   전력을 이야기 하다보면 자연스레 전기차 충전기에 대한 언급을 하지 않을 수 없습니다. 

   전기차 충전기는 단상 및 3상 전력을 사용하여 다양한 방식으로 충전됩니다.

 -  전기차 충전기 종류

    1)    완속 충전 (AC 충전)

           단상 220V 또는 3상 380V 사용

            충전 속도: 7kW~22kW

            가정용 및 공용 충전소에서 사용

 

    2)    급속 충전 (DC 충전)

            고압 DC 전력 사용 (400V~800V)

            충전 속도: 50kW~350kW

            테슬라 수퍼차저, 현대 E-Pit 등에서 사용

 

   - 전기차 충전 방식

             AC 충전: 차량 내 온보드 충전기 사용 (내부 변환-> 전류 낮음, 완속 충전, 220V or 110VAC 입출력)

             DC 충전: 직접 배터리에 전력 공급 (고속 충전 가능 -> 급속 충전, 3상 입력, DC 출력 일반적으로 1000V 수준)

 

 

8. 결론

배전 시스템과 가정 전원은 효율적인 전력 공급과 안정성을 유지하는 것이 핵심입니다.
3상 전력은 높은 효율을 제공하며, 승압을 통해 전력 손실을 줄일 수 있습니다.

또한, 전기차 충전 인프라가 확장됨에 따라 3상 전력이 더욱 중요해지고 있으며,

이를 위한 충전 인프라도 꾸준히 발전하고 있습니다.

3상 전력은 120도 위상차를 가지며, 송전 효율이 뛰어납니다. 

승압 송전을 통해 전력 손실을 줄이고, 변압기로 적절한 전압 변환을 합니다. 

단상 vs. 3상 전력 계산법이 다릅니다.  

전기차 충전 인프라는 AC 완속 충전, DC 급속 충전으로 발전되어 있으며, 미래 먹거리에 한축이 되어 가고 있으며 계속 발전 중입니다.