⚡ 삼상 교류 발전 ⚡

Three-Phase AC Generation

현대 전력 시스템의 핵심

📚 삼상 교류란?

삼상 교류(Three-Phase AC)는 세 개의 교류 전압이 같은 크기로 만들어지지만, 시간차를 두고 발생하는 전력 시스템입니다.

🚲 쉬운 비유

세 명의 사람이 똑같은 속도로 페달을 밟지만, 한 명씩 순서대로 시작하는 세발자전거와 같습니다!

→ 힘이 끊기지 않고 계속 이어집니다!

🤔 왜 3상인가?

1) 1상 (단상)

우리 집에서 쓰는 전기. 전압이 0이 되는 순간이 있어서 큰 모터를 돌리기엔 부족

2) 2상

좀 낫지만 여전히 불안정

3) 4상 이상

너무 복잡하고 전선도 많이 필요해서 비효율적

✅ 3상 - 완벽한 균형!

한 상의 전압이 낮아질 때 다른 상이 높아져서 항상 안정적!     파형생성     파이프

⚙️ 발전기 기본 구조

🔷 고정자 (Stator)

고정된 부분

  • 겉에 있는 고정된 코일
  • 철로 만든 둥근 틀에 구리선을 감음
  • 여기에 전기가 발생
  • 움직이지 않음

🔄 회전자 (Rotor)

도는 부분

  • 가운데서 빙글빙글 도는 자석
  • 터빈에 연결되어 회전
  • 자석이 돌면서 코일에 전기 생성

📐 120도 간격 코일

360° ÷ 3 = 120° 자석이 한 바퀴 돌면, 각 코일을 차례로 지나가면서 전기를 만듭니다!

💡 삼상 교류의 필요성

1️⃣ 전력 전달 효율

같은 양의 전기를 보내는데, 전선을 약 25%나 절약!

방식 필요한 전선 비용
단상 100만원
삼상 75만원 ✨

전국의 전선을 생각하면 엄청난 돈을 절약!

2️⃣ 회전 자기장 생성

세 개의 전기가 순서대로 들어오면 자석이 저절로 회전하기 시작합니다!

🎡 세 명이 돌아가며 물레방아를 밀면 물레방아가 계속 도는 것과 같아요

→ 별도의 시동 장치가 필요 없습니다!

🏭 산업용 모터에 유리

🏗️ 큰 힘

  • 크레인
  • 컨베이어 벨트
  • 프레스

🤖 정밀 제어

  • 로봇 팔
  • CNC 기계
  • 자동화 설비

⏰ 24시간 가동

  • 공조 시스템
  • 냉동 창고
  • 펌프

✅ 왜 삼상 모터를 사용할까?

  • 안정적이고 고장이 적음
  • 효율이 높음
  • 토크가 일정함
  • 소음과 진동이 적음

📊 위상차 120도의 의미

🌊 한 주기 = 360도

사인파 한 번의 완전한 물결을 '1주기'라고 합니다
y = sin(x) 그래프를 떠올려보세요
x가 0°에서 360°까지 가면 파도가 한 번 완성됩니다
우리나라는 1초에 60번 반복됩니다 (60Hz)

⚡ 3등분 → 120도

360도를 3으로 나누면 120도!

첫 번째 파도가 0도에서 시작하면:

🔵 두 번째 파도는 120도부터 시작

🟢 세 번째 파도는 240도부터 시작

⏱️ 시간 차이

60Hz 기준:

1주기 = 1/60초 ≈ 16.67ms

1/3 주기 = 5.56ms

A상 → B상 → C상이 약 5.56ms씩 차이나며
순서대로 피크에 도달합니다

🎯 삼각함수 핵심 공식

⭐ 가장 중요한 공식 ⭐

sin(A) + sin(A−120°) + sin(A−240°) = 0

어떤 각도 A를 대입해도, 세 개를 더하면 무조건 0!

🧮 예시: A = 30° 대입

sin(30°) = 0.5

sin(30°−120°) = sin(−90°) = −1

sin(30°−240°) = sin(−210°) = 0.5

합: 0.5 + (−1) + 0.5 = 0 ✓

💫 3상 합 = 0의 의미

🎯 결론

어떤 순간에도 세 상의 전압을 더하면 0입니다

🤔 왜 중요할까?

⚖️ 완벽한 균형

한 상이 높을 때 다른 상들이 낮아서 균형을 맞춰줍니다

마치 시소처럼 완벽한 평형 상태!

🔌 중성선 전류 0

균형잡힌 3상에서는 중성선에 전류가 안 흐릅니다

→ 중성선을 가늘게 만들거나 생략 가능 (비용 절감!)

🔬 실험해보기

오실로스코프로 세 파형을 관찰하고 더하면 평평한 직선(0)이 나타납니다!

⚡ 안정적 전력 공급

📊 단상 vs 삼상 비교

구분 단상 (1상) 삼상 (3상)
전압 변화 ❌ 0이 되는 순간 있음
(1초에 120번!)		 ✅ 항상 안정적
(최소 1개 이상 높은 전압 유지)
전구 ⚠️ 희미하게 깜빡일 수 있음 ✨ 일정한 밝기
모터 ⚠️ 떨리거나 토크 불안정 ✅ 부드럽게 회전
대형 기계 ❌ 구동 어려움 ✅ 안정적으로 작동

✅ 삼상의 장점

전력이 끊김없이 공급되어 모든 기계가 부드럽게 작동합니다!

🗼 송전선 응용

우리나라 전체에 전기를 보내는 방법

⚡ 초고압 송전

  • 765,000V
  • 345,000V
  • 모두 3상!

💰 장거리 효율 & 경제성

  • 서울에서 부산까지 전기를 보낼 때 손실 최소화
  • 전국 전선을 단상으로 하면 비용이 훨씬 더 듦
  • 전선 25% 절약 = 수조 원 절약!

🔧 모터 응용

공장, 엘리베이터, 에어컨 등 모든 곳에 사용

🔄 유도 전동기

가장 흔함

  • 세탁기
  • 선풍기
  • 에어컨 실외기
  • 컨베이어 벨트

회전 자기장이 알아서 회전자를 돌림

⚙️ 동기 전동기

정밀 속도 제어

  • 시계
  • 레코드 플레이어
  • 로봇 팔
  • CNC 기계

🎯 서보 모터

초정밀 제어

  • 산업용 로봇
  • 3D 프린터
  • 드론
  • 자율주행차

🏭 발전소

모든 발전소는 삼상 교류를 만듭니다

🔥 화력발전소

  • 석탄, 가스를 태워서 물을 끓임
  • 증기로 터빈을 돌림
  • 터빈에 연결된 발전기가 3상 전기 생산

⚛️ 원자력발전소

  • 원리는 화력과 같음 (열로 물 끓이기)
  • 다만 핵분열로 열을 얻음
  • 역시 3상 전기 생산

💧 수력발전소

  • 물이 떨어지는 힘으로 터빈을 돌림
  • 댐에서 보이는 큰 발전기도 3상!

🌬️ 풍력발전소

  • 바람으로 날개를 돌림
  • 요즘 해상풍력도 모두 3상 발전

☀️ 태양광

DC 전기를 만들어서 → 인버터로 3상 AC로 변환합니다

📖 더 알아보면 좋은 주제들

1️⃣ Y 결선 vs Δ(델타) 결선

코일 3개를 연결하는 두 가지 방법

  • Y자 모양
  • 삼각형 모양
  • 각각 장단점이 있음!

2️⃣ 불평형 부하

세 상의 부하가 다르면?

  • 중성선에 전류가 흐르기 시작
  • 실제로는 완벽한 균형이 어려움

3️⃣ 역률 (Power Factor)

전압과 전류의 타이밍이 안 맞으면?

  • 전기요금이 더 나올 수 있음!
  • 공장에서는 역률 개선 장치 사용

4️⃣ 주파수

  • 우리나라: 60Hz
  • 유럽: 50Hz
  • 왜 나라마다 다를까?

✏️ 실생활 연습 문제

Q1. 집의 전기는 단상 220V인데, 공장은 왜 3상을 쓸까요?

Q2. 송전탑을 보면 위에 전선이 몇 개 있나요? 각각 무엇일까요?

Q3. sin(0°) + sin(−120°) + sin(−240°) = 0 인지 직접 계산해보세요!

proof of sum
sinA + sinB= 2 sin((A+B)/2) cos((A-B)/2) 를 2번 이용

Q4. 3상 전기에서 한 상이 고장나면 어떻게 될까요?

🎓 정리

삼상 교류 발전의 핵심

✅ 3개의 전압이 120도씩 차이를 두고 발생

✅ 완벽한 균형으로 안정적인 전력 공급

✅ 전선 25% 절약으로 경제적

✅ 회전 자기장으로 모터 구동 용이

✅ 모든 발전소와 공장에서 사용

⚡ 삼상 교류는 현대 문명을 떠받치는 기술입니다! ⚡