3상'전원'과 3상'부하'의 '상'전압과 '선간'전압의 상관관계

위 그림에서 단상전원은 전기적 위상각 360˚(2π)인 1주기 중

전반부 180˚(π)동안에 (+)파형이 그려지고 나머지 후반부 180˚(π)동안에 (-)파형이 그려진다.

처음 시작점에서 전압이 0V로 시작하여 90˚ 지점에서 최대의 (+)전압을 찍고 다시 180˚지점에서 0V,

다시 270˚지점에서 최대의 (-)전압을 찍고 360˚ 지점에서 0V, 

단상교류는 (+)파형과 (-)파형이 반복되는 교번형의 전원이므로 단상회전기기를 회전시키기가 쉽지 않아서 기동시에만 운전권선과 기동권선 간에 일종의 2상전원을 발생시키는 보조적 기동장치(기동코일 또는 기동콘덴서)의 사용이 필수불가결하다.

1주기가 1초 동안에 50번 반복되면 50㎐, 60번 반복되면 60㎐의 주파수를 가지는 전원 파형이 되는데 대한민국의 전기 주파수는 60㎐이다.

위 그림에서

3상전원은 서로 120˚의 전기적 위상 차를 갖는 세 개의 단상전원으로 형성된 전원과 같다고 했는데,

발전소에서 위와 같은 원리로 3상전원을 생산한다고 생각하면 된다.

위 그림을 보면

R상 전원이 파형을 0˚에서 120˚그렸을 때 S상이 파형을 0˚부터 그리기 시작하고

다시 S상이 파형을 120˚그렸을 때 T상이 파형을 0˚부터 그리기 시작한다.

고로 각 상 간의 전기적 위상 차는 120˚이므로

'3상전원은 R.S.T 각 상이 상호 간에 각각 120˚의 전기적 위상 차를 가지는 회전형의 전원이다' 라고 정의할 수 있다.  따라서 3상전원은 3상회전기기를 쉽게 구동할 수 있다.

 

[3상교류의 2주기 동안의 동작 파형도]

 

아래는 델타 결선된 3상전원 인데

상전압ep와 선간전압el이 같다는데 주목해야 한다.  예" epR(상전압)=el R-T(선간전압)

아래는 와이 결선된 3상전원 인데

선간전압el이 상전압ep의 √3(1.732...)배이다 라는데 주목해야 한다. 

예' √3·epR(또는 √3·epS)=el R-S

전원 R과 전원 S는 직렬로 연결된 상태이나 전기적으로 120˚의 위상차가 있으므로

예를 들어 상전압인 220V의 전원 둘을 직렬로 합했을 때 선간전압은 두 배(440V)가 아닌 1.732배인 380V의 전압이 형성된다.

그림에서 황색으로 표시한 epR, epS, epT 등이 상전압(220V)이고, 녹색으로 표시한 el R-S, el S-T, el T-R 등이 선간전압(380V)이다.

아래는 델타결선된 3상부하인데

중요한 것은 전원 측이 델타결선인지 와이결선인지에 관계없이

전원의 전압과 부하의 정격전압이 동일해야 한다는 점이다.

예' 정격전압이 3상220V인 부하를 델타결선하면 공급전원의 선간전압은 3상220V 이어야 한다.

아래는 와이결선된 3상부하인데

중요한 것은 전원 측이 델타결선인지 와이결선인지에 관계없이

부하를 와이결선하면 부하의 정격전압의 √3 배의  전원전압을 공급해야 한다는 점이다.

예' 정격전압이 3상220V인 부하를 와이결선하면 공급전원의 선간전압은 3상380V 이어야 한다.

전원 측이나 부하 측에서 3상 와이 결선 시에는 선간전압이 상전압의 √3(1.732...) 배이다.

다만, 전원 측이냐 부하 측이냐만 다른 것이다. 

자 이제부터는 정격전압이 3상220V인 3상 2중전압(380-하이/220V-로우) 6선 인출 농형유도전동기를 가지고

전동기 코일을 델타결선 또는 와이결선 시 공급전압과 전동기 코일에 인가되는 전압이 어떻게 달라지는 지 왁인해 보겠다. 

이중전압 380/220V 유도전동기의 경우에는 로우전압인 220V가 전동기의 정격전압이다.

부하인 농형유도전동기의 정격전압이 3상220V이고 '전전압(100%) 직입기동방식'이면 필히 아래와 같이 델타결선하여 3상220V의 로우전압에서 사용할 수 있다.

공급전원 전압과 부하정격 전압이 동일할 경우에는 와이-델타 기동방식을 적용할 수 있다.

참고로 와이-델타 기동방식은

초기 기동시에는 와이결선으로 감전압(직입기동시의 57.7%)을, 운전 시에는 델타결선으로 전전압(100%)을 적용한다

만약 380V-하이/220V-로우 6선 모터를 가지고 380V에서 와이-델타 기동을 하게 되면

초기 기동시 y결선을 하면 감전압기동이 아닌 100% 전전압 기동상태가 되고, 델타결선으로 바뀌는 순간 √3(1.732...)배의 과전압 상태가 되므로 그 상태로 유지가 되면 모터 코일은 과전압에 의해 소손된다.

그림에서와 같이 3상220V전원을 델타 결선된 부하에 인가하면 부하 각 상에는 전원 전압 220V가 그대로 공급된다.

부하의 정격전압이 3상220V일 때 와이결선하면 3상380V의 하이전압에서 사용할 수 있다.

그림에서와 같이 3상380V전원을 와이 결선된 3상220V의 부하에 인가하면 부하 각 상에는 전원 전압 380V의 1/√3(57.7%)인 3상220V가 공급된다.

다시 정리를 한다면

3상전원에서 델타결선된 전원은 상전압과 선간전압이 같고 와이결선된 전원은 선간전압이 상전압의 √3(173.2%)배가 되며,

반대로,,,,,

3상부하를 델타결선하면 부하정격 전압과 동일한 전원전압을 인가받아야 하고

3상부하를 와이결선하면 부하정격 전압의 √3(173.2%)배인 전원 전압을 인가하여도 부하에는 전원전압의 1/√3(57.7%)인 부하의 정격 전압과 동일한 전압이 인가된다.

[대한민국의 저압 표준 배전방식]

와이 결선 3상4선식 380(선간전압)/220V(상전압)

저압표준 배전방식은 아니지만, 자가용전기수용가에서 필요에 따라 델타 결선 3상3선식(220V)나 델타결선 3상4선식(3상220V & 1상에서 중간 탭을 내어 2종접지 시키고 단상3선식-220/110V사용)을 채택하기도 함.

[미국의 저압 표준 배전방식]

와이 결선 3상4선식 208(선간전압)/120V(상전압)

대한민국에서 미국제품 사용하는 곳, 연구소나 대학 등에서 채택한 저압 배전방식임.

어떤 분들은 이 배전방식을 잘못 알아서

3상 220V/110V 라고들 하는데 이는 3상4선식 배전선로에서 선간전압= √3(173.2%).상전압의 관계에도 맞지 않을뿐더러. 잘못 알고 있는 거다.

또한 미국 내에서도 일부 지역은

단상3선식 230/115V의 저압배전방식을 채택하는 경우도 있으니 참고 바람.