2013년 9월 4일 수요일

단상과 3상 기초이론

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단상(單相-single phase)인가 삼상(三相-three phase)인가?

개인적으로 문의 받는 것 중 가장 많은 것은 “전기를 새로 신청하려는데 단상으로 할까요? 기왕 하는 것 3상 동력으로 할까요?” 라거나 “새로 구입하는 장비를 단상용으로 살까요? 삼상용으로 살까요?”라는 물음이다.

이것에 대한 대답은 뒤로 미루고 우선 단상과 삼상을 구분해 보자.
이후의 글에서 단상은 220V를, 삼상은 380V(정확히는 3상4선식 380/220V이다)를 말하며 사용전압 대부분이 교류(Alternating Current - A.C)이므로 직류(Direct Current - D.C)에 관하여는 필요한 경우 간단하게 설명드릴 것이다.
또한 단상은 “주택용 전기”, 삼상은 “일반용 전기”로 통일하여 설명드릴 것이나 드물게 주택용으로 삼상을 사용하고(절차가 까다롭다), 일반용으로 단상을 사용하는 경우도 있다.



1. 단상과 삼상
                                    
 
 
a. 단상의 파형 b. 삼상의 파형

fig 1-1 단상과 삼상의 파형

단상과 삼상의 차이를 그림으로 나타낸 것이다. 위 그림에서처럼 단상은 상이 하나이고 삼상은 상이 세 개이다.
그림에서 V로 표시된 y축은 전압을 나타내며 t로 표시된 x축은 시간을 나타낸다.

교류220V 60Hz는 그림처럼 +220V와 -220V를 1초간에 60번 반복하는 특성을 가진다. 이러한 특성 때문에 교류에서는 +,- 라는 설명은 무의미하며 "N"상과의 구별을 위해 ‘전원선’ , ‘중성선’ 정도의 용어를 사용하고 있다.

반면에 “직류”란 시간에 따른 전압의 변화가 없으므로 주파수라는 개념은 없다. 국내 공급되는 전기는 전압의 차이는 있지만 주파수는 공히 60Hz이며 D.C전압은 아직은 공급되지 않는다.

상(相 - phase)에 대한 개념이나 세세한 설명은 제외하고라도 눈에 보이지 않는 전기(교류)를 그림으로 그린다면 위와 같은 모양인 것이다.
약간 더 실제적인 모양을 보자.

fig 1-2 교류 3상4선식 380/220V의 결선(Y 결선)과 4극 차단기


위 그림은 일반적인 주택이나 상가, 빌딩 등에서 사용하는 3상4선식 380/220V전원의 실제 결선도이다. 상(相)이 3개라 함은 a와b, b와c 그리고 c와a 이렇게 세 개의 상을 말한다. 380V 단상이 3개인 것이다. 하지만 380V 단상을 하나만 사용할 일은 거의 없다.

그림에서 보이는 중앙점에서 시작되는 점선(중성선)을 유의해서 보자.
N이라고 표기된 이 선은 중성선(Neutral line)이다. 바로 이 선과 380V 의 3선 중 어느 한선과 같이 사용하면 단상(單相) 220V가 되는 것이다.

각 상 전원인 a,b,c 선은 바로 옆 그림인 4극 차단기의 좌측부터 세 번째 단자까지 순서 없이 접속하며 중성선인 N선은 차단기 우측의 “N"이라고 표시된 단자에 접속한다. 차단기 2차 배선시 a,b,c 세 선중 한선과 N선 단자에서 전원을 인출한다면 단상 220V를 사용할 수 있으며 a,b,c 세선만을 사용한다면 3상 380V를 사용할 수 있다.


2. 특징과 장,단점

2-1 단상(單相)의 특징

fig 2-1 단상전원과 2극 차단기

위 그림처럼 단상 220V는 하나의 상에서 한 종류의 전압만 사용할 수 있다. 이제는 110V 전압이 사라졌으니 우리나라의 단상전압은 220V로 한 종류만 있는 것이다. 차단기 또한 2극 차단기를 사용하며 순서 없이 단자에 접속하여 사용한다.

주변에서 늘 쓰이는 단상 220V도 특별한 경우가 아니라면 3상4선식 380/220V에서 220V만 인출하여 사용하는것이라 생각하면 된다.

단상 220V전압의 가장 큰 장점은 주변에서 쉽게 구할 수 있다는 것이다. 집이나 사무실뿐 아니라 공공장소, 학교 등 급하게 사용할 때 쉽게 찾을 수 있다. 또한 사용설비가 간단해서 삼상에 비해 적은 비용으로 전기에너지를 사용할 수 있다.

반면에 상(相)이 하나이므로 회전자계라는 것이 없고, 이로 인하여 전동기 운전시 콘덴서 등 별도의 기동장치가 필요하다. 이 콘덴서는 오직 단상 전동기의 기동만을 위해 필요하며 일단 기동이 되면 회전하는 전동기의 원심력에 의해서 콘덴서는 저절로 분리된다.

단상전원은 삼 상에 비하여 효율이 낮으므로 설비가 중,대형화로 갈수록 사용이 줄어들며 중,대형의 설비는 아예 단상전원을 사용할 수 없도록 제작된다.


2-2 삼상(三相)의 특징

fig 2-2 삼상전원의 위상차

fig 1-1의 b와 1-2외에 다른 방법으로 삼상전원을 그릴 수 있는데 그것은 위 그림과 같은 벡터도이다.
전압(電壓)은 크기와 방향이 있는 벡터(vector)이다. 그림처럼 세 개의 벡터는 각각 같은 크기로 120˚씩 차이가 있다. 이것을 위상차(phase difference, 位相差)라 하며 이 위상차를 이용한 회전자계(回轉磁界)는 전동기의 회전을 가능하게 해주는 위대한 원리이다. 다소 어려운 내용이지만 ‘전동기의 회전원리’라고 가볍게 생각하자.

생소한 용어들은 제쳐두고 쉽게 말한다면

“3상전원은 3개의 전원이 있다는 말이고, 이 3개의 전원이 순차적으로 아주 빠르게 회전한다. 이 회전은 전동기 내부에서 초등학교때 배운 페러데이의 법칙과 플레밍의 왼손법칙등의 조합으로 축을 돌리는 것이다” 라고 설명 할 수 있다.

이로 인해 3상 전동기는 구조가 단순하며(기동용 콘덴서가 필요 없다) 내구성이 뛰어나고 소용량 에서부터 대용량까지 제작이 가능하다. 또한 3상전원은 단상에 비하여 효율이 높아서 농업용, 산업용이나 대형 시설물에서 많이 사용한다.
하지만 시설비가 많이 들고 상대적으로 높은 전압에 대한 위험요소 등은 단상전원에 비하여는 단점이라 할 수 있다.


2-3. 몇 가지 고려사항들

2-3-1 공급요건


전기를 공급받기 위해서는 한국전력공사(이하 한전)에 신청을 해야 한다. 이 과정에서 한전에서는 사용목적, 규모 그리고 그 지역의 배전선로 상황 등, 여러 가지의 조건을 검토한 뒤 한전의 ‘전기공급약관’에 의해 전기를 공급한다. 만약 산골 한적한 곳에 집을 지었으나 200M 내에 전주가 없다면 거리에 따라 많게는 수 백 만원이 넘는 시설비를 한전에 납부해야 하며 순수 주거용 주택에 살면서 3kW를 초과하거나 삼상전기를 사용하기는 어렵다.

유흥상가나 판매점에서 요금이 저렴한 산업용의 전기를 사용 할 수 없으며 농업용, 교육용, 산업용등 특수목적의 전기를 신청당시의 목적에 위배되게 사용 하는 것은 위법한 일이다.

전기를 새로 신청하거나 현재사용중인 전기의 용량증설 또는 계약종별(주택용, 일반용, 산업용등의)의 변경이 필요하다면 먼저 한전에 문의하는 것이 나은 방법이다.

여러 가지 경우의 수를 정확하게 문의하여 답변을 듣고 시행에 옮기자. 지금당장 국번없이 123번으로 전화한다면 한전담당자가 친절하게 상담해줄 것이다.


2-3-2 경제성

많은 사람들이 하는 오해 중 “삼상이 단상보다 경제적이다. 싸다..”는 말이 있다.

전기요금은 전기사용량에 따라 부과된다. 그래서 문 앞에는 잘 보이는 곳에 전기계량기가 있고(계량기는 한전의 재산이다. 훼손하면 위법이다.) 매 달 검침원이 다녀가서 요금을 계산하여 부과하는 것이다. 요즘은 유,무선통신으로 원격검침을 하는 곳이 많아졌지만 아직 주택이나 아파트에는 둥근 원판이 빙빙 도는 계량기가 있다.

이 원판은 그유명한 "아라고의 원판"의원리로 제작된 것이며 전기의 사용량이 많아지면 그 속도가 빨라지고 사용량이 적어지면 느려진다.


전기의 사용량은 가전제품이나 장비의 용량이 결정한다. 정격이 3마력인 전동기는 220V용이라면 220V에서 3마력의 힘을 내며 380V용은 380V에서 3마력의 힘을 낸다. 같은 3마력의 일을 했으니 계량기는 같은 양만큼 적산을 한다. 단지 검침원이 기록해간 월간 사용량을 요금으로 환산하는 과정 중에 계약종별에 따라 각각 다른 요금을 적용하는 것이다.

o 효율

삼상380V는 단상220V보다 효율이 좋다. 하지만 전원전압에 의한 효율만을 요금과 결부시켜 계산한다면 수 kW 내외의 환경에서는 무시 할 수 있을 정도이다.


o 사용전선의 차이

삼상380V를 사용한다면 단상220V를 사용할 때보다 확실히 더 가는 전선의 사용이 가 능하다. 이것은 전압이 높으면 전류가 작아진다는 공식 (전력=전압x전류)과, 전선의 규 격은 통과하는 전류량에 의하여 결정된다는 원리에 의해서이다. 하지만 상대적으로 높 은 전압에 대한 위험의 감수가 동반되기도 한다.
보통 소규모 작업장이나 공방이라면 전압에 따른 전선구매비용의 차이는 시설비에 비한다면 큰 차이가 없다.

o 계약종별의 차이

- 대부분 요금의 차이는 계약종별의 차이에서 나온다. 주택용은 누진요금제 때문에 잘 못 하다가는 큰 낭패를 볼 수 있으나 전기소비량이 많지 않다면 가장 경제적이다.

- 일반용전기는 3상380V를 공급 받을 수 있으나 전기소비량이 어느정도 많아져야 주택 용보다 경제적으로 운용될 수 있다.

- 보통 350~380kWh 쯤에서 주택용과 일반용전기의 경제성이 교차된다. 즉 월 350kWh 이하의 전기사용은 주택용이 싸고, 380kWh 이상은 일반용이 더 싸다.

- 소규모라도 제조업의 사업자등록증이 있다면 산업용전기를 쓸 수 있으며, 제조업 활성 화정책의 일환으로 산업용은 일반용이나 주택용보다 많이 저렴한 편이다.

- 결국 삼상380V가 더 경제적이다는 말은 계약종별과 사용량에 따른 차이이지 전압에 의한 차이는 아니라는 말이다. 또한 사용량이 적다면 오히려 비경제적이기까지 하다.


2-3-3 계약용량

계약용량이 몇 kW이다 라는 말은 동시에 사용할 수 있는 전력량을 말한다.
만약 계약용량이 5kW라면 동시에 기동시킬 수 있는 장비의 용량이 5kW를 초과하지 않는 것이 좋겠다. 전주에서 집까지 연결되어 있는 전선이나 집안의 차단기등은 5kW에 맞추어서 시설되어있기 때문이다.

계약용량에 비하여 전기의 사용량이 과다한 경우라면 한전에서 용량의 변경을 요구할 것이다.


o 주택용이라면 대부분이 가구당 3kW로 계약되어 있으며 더 이상의 증설은 어렵다.

o 계약용량 x 450시간 = 월간 사용할 수 있는 최대의 전기사용량이다.

o 450시간 초과 사용량에는 계약종별 요금단가의 2.5배가 적용되며 한전에서 계약전력증 설통보를 받게된다.

o 계약용량이 3kW이하인 경우에는 일반용 삼상380V라도 주택용 전기요금이 적용된다.

o 일반용에서 계약용량은 기본요금의 차이이다. 월평균 사용량을 확인해 보고 불필요한 용 량은 줄이는 것이 바람직하다.



3. 단상인가 삼상인가?

현재 자신이 작업하는 공간의 전기상황이 어떤지 살펴보자. 아파트 베란다나 주택의 창고등에서 작업한다면 틀림없는 단상220V일 것이다.

만약 상가의 지하나 농장 뒷 뜰 ,공장구석의 조그만 공간이라면 삼상380V(정확히는 3상4선식 380/220V)일 경우가 더 많을 것이다.
단상인가 삼상인가의 문제는 공구나 장비의 구입 시 선택의 폭에 직접 관계된다. 말 할 것도 없이 삼상 일 때 선택의 폭은 훨씬 넓어지며 만족도도 높다.

목공을 위한 작업장을 새로이 마련할 때, 전기까지 새로 신청하여야 한다면 삼상전기를 신청하라고 추천하고 싶다. 하지만 이미 사용 중인 전기라면 공급방식(단상, 삼상)의 변경은 새로운 비용의 발생을 불러오므로 별로 추천할 만 하지는 않다.

국내 공급되는 전기는 그 품질이 아주 우수한 편이라고 한다. 전압의 변동률, 정전시간, 정전횟수, 정전의 복구시간 등을 다 고려한 결과이다. 또한 전기요금도 외국에 비해서 아주 싼 편이라고 한다. 싸고 질 좋은 제품을 공급받는 것이다. 우리는 여기에 ‘안전하게’ 사용하기 위한 노력만 하면 된다.

첫째는 안전이고 그 후에 경제적으로 사용할 수 있는 방법을 찾아보는 것이 올바른 순서일 것 같다.

지금 주위를 둘러보아 작업환경이 안전한지 다시 한 번 점검하고 작업을 시작하자.

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