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| 교류 전원의 회로 기호도 |
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1. 개요
전하의 크기와 방향이 주기적으로 바뀌는 전력.
초록색 선인 Alternating이 교류이다. 한마디로 +-로 전하의 극이 주기적으로 바뀌는 전력을 말한다. 나머지는 극이 바뀌지 않거나 주기가 없으므로 교류가 아니다.
2. 설명
교류(交流)란 전류 방식 중 하나로, 영어로는 Alternating Current 줄여서 "AC"라고 부른다. 교류 현상을 처음으로 발견한 것은 마이클 패러데이이며, 교류 발전기 고안자는 니콜라 테슬라가 아니라 그에 비해 잘 알려지지 않은 프랑스의 과학자 루시앙 골라르드(Lucien Gaulard)와 영국의 존 기브스(John Gibbs). 테슬라는 조지 웨스팅하우스와 함께 이걸 실용적인 목적으로 발전시키는 데 지대한 공헌을 했다.직류와의 차이를 우선 간단하게 말하자면, 교류는 전압을 통한 전기(전력)이고, 직류는 전류를 통한 전력(전기)이다.
회전운동으로 생산되는 전기는 전부 교류라고 보면 된다. 직류 발전기의 경우도 일단 교류를 출력시킨 다음 그 교류 전기의 한쪽의 방향을 바꾸어 직류로 변환하는 구조이다.
교류에 대해 이해하려면 직류에 대해 먼저 알아야 한다. 직류는 영어로 DC(Direct Current)로, 배터리 전기라고 생각하면 이해가 쉽다. 배터리의 전선을 연결하면 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는데, 이를 직류 전기라고 한다. 하지만 배터리가 아니라 발전기에서 전기를 만든다고 해보자. 일반적으로 구리 같은 코일 근처에 자석을 지나가게 하면 전기가 생성된다.
하지만 매번 지나가게 하는 것은 번거로우니, 차라리 코일 근처에서 자석을 앞뒤로 마구 움직이거나, 혹은 회전시킨다고 해보자. N극과 S극은 전자를 밀어내는 방향이 달라서, 자석을 회전시킨다는 것은 자석을 앞뒤로 마구 왔다갔다하는 것과 동일한 결과를 불러온다.
어쨌든, 자석을 회전을 시키거나 앞뒤로 움직이면, 전류는 한쪽 방향으로 제대로 이동하지 못하고 앞으로 갔다가, 뒤로 갔다가를 반복한다. 우리는 이러한 전선 내부의 물리적 상태를 교류 전기, 즉 AC라고 하는 것이다. 그래서 회전운동으로 생산되는 전기는 전부 교류 전기라고 하는 것이다.
그런데 교류 전기는 직류 전기와 달리, 전류가 왔다갔다하는 것이기 때문에, 전구나 교류전동기를 사용하는 일부 제품을 제외하면 대부분의 전자제품은 교류를 직류로 전환하는 형식이다.[1]
하지만 AC(교류 전기)가 결국 전기를 얻기에도 편하고, 송전에도 무척이나 효율적이기 떄문에 반드시 필요하다. 그래서 더욱 효율적으로 전기를 얻어내기 위해 다음과 같은 방법도 사용한다; 회전할 자석을 하나 둔다. 그리고 120도 간격으로 코일 뭉치(회로)들을 둔다. 코일 하나를 1종 코일이라고 하는데, 보통 3종 코일을 많이 사용한다. 즉 코일 뭉치를 3개 둔다는 것. 이렇게 자석 주위에 코일 3종을 두면, 자석이 회전할 때 이 3개의 코일에서 모두 AC 전류가 생성된다. 효율적이며 양이 많다. 이걸 3상 교류라고 부르며, 대칭으로 놓은 코일이 n개인 경우 n상 교류라고 부른다. 그래서 교류 발전기를 많이 추구한다.
이러한 AC는 변압기를 통해 쉽게 전압을 바꿀 수 있다. 덤으로 직류에 비해서 도선의 전기적 부식이 적다. 이는 도선 전체에서 전하가 흐르는 직류와 달리 교류는 후술될 주파수가 높아질수록 전선의 가장자리로만 흐르려는 특성이 있기 때문. 때문에 도선의 중심을 철로 보강하고 가장자리만 구리나 알루미늄과 같이 전도도가 높은 소재로 도선을 만드는 방식인 ACSR(Aluminium Conductor Steel Reinforced, 강심 연알루미늄선)이라는 방식이 사용되기도 한다. 이 동일 단면적의 전선에서 직류보다 송전용량이 많이 줄어드는 단점도 동시에 가진다.
또한 열의 형태로 전력을 낭비하는 저항기 대신 인덕터나 커패시터를 이용해 전류를 제한 가능하며[2] 같은 전압일 때 아크가 쉽게 생성되지 않아 작은 스위치로도 회로 차단이 용이하다. 반면 직류의 경우 전압이 0이 되는 부분이 없어 전류가 끊기지 않기 때문에 아크가 쉽게 발생한다.[3]
우리가 사용하는 각종 전자기기가 대부분 직류 전기를 사용하지만, 정작 공급받는 전기가 교류인 가장 큰 이유는 송전 효율 때문이다. 더 정확하게 말하자면, 직류 대비 변압 효율이 높아 송전에 유리하다.
매우 먼 거리로 전기를 보내야 하는 경우, 전선도 수백 km 단위로 엄청나게 길어지며 자연스럽게 저항도 늘어나게 된다. 저항이 커지면 줄의 법칙[4]에 의해 전력 손실이 커지고 전선 저항이 워낙에 크다 보니 전압 강하[5]가 너무 극심해서 220V로는 송전은커녕 1A도 흘리기가 어려워진다. 여기서 엔지니어들은 고민에 빠지게 된다. 저항을 줄이려면 전선의 재질을 저항이 더 낮은 재질로 교체하거나, 더 굵은 전선을 써야 하는데 저저항 물질(은, 초전도체 등)은 대체로 비싸서 교체비용이 부담스럽고, 길이가 길이다 보니 강도 문제 때문에 재질도 원하는 대로 선정할 수가 없다. 또 더 굵은 전선을 쓰기에는 무게 증가로 인해 전신주 부담이 너무 컸다. 때문에 전류를 줄이는 쪽으로 가게 되었는데, 그렇다고 쓰는 전기량을 줄일 수는 없으니 전류를 줄이는 대신 전압을 올리게 되었다. 전력(P) = 전압(V) x 전류(I)이므로 전류가 반으로 줄어도 전압이 2배로 커지면 전력은 같다. 전압을 2배로 올리면, 전류는 반으로 줄여도 같은 양의 전력을 보낼 수 있으며, 줄의 법칙에 의해 손실전력은 4분의 1로 줄어들고 당연히 전압 강하도 감소한다. 이 때문에 장거리 송전은 기본적으로 고전압으로 이루어지게 되었다.
따라서 가정까지 송전되는 전기는 기본적으로 초고압 전기이다. 직류 대비 교류 변압기는 구조가 간단하며, 신뢰도도 높고 고용량으로 변전할 수 있다. 교류 변압기의 기본 구조는 막말로 그냥 말아놓은 코일 두개만 붙여놓으면 될 정도로 매우 간단한 구조를 띄고 있다. 따라서 고전압 송전을 위해 교류 전력 송전을 택하게 되었다. 더 높은 전압으로 송전할수록 효율이 좋기 때문에 국내에서는 장거리 송전 시 최대 765kV(765,000V)까지 승압시켜 송전하고 있으며, 손실률은 불과 3% 전후라고 한다.
현재 각종 소자의 발달로 직류도 승압이 비교적 쉬워짐에 따라 교류처럼 무효전류와 비효율성으로 고통을 겪지 않는 HVDC(초고압직류송전)가 주목받고 있다. 그러나 아직은 초기 비용이 커서 송전거리가 어느 정도(지상 600km 이상 혹은 지하/해저 50km 이상) 있어야 교류 송전보다 이익이 있다.
높은 전압이 송전에 유리하다 하더라도 변압이 어렵다면 상당히 곤란하다. 왜냐하면 송전시에 필요한 전압이 무지막지하게 높은 데다가 가정에다가 수십만 볼트의 고압을 그냥 공급할 수는 없는 노릇이니 강압도 필요하기 때문이다. 그것도 그냥 강압만 되면 되는 게 아니다. 변전소 거쳐서 전봇대까지 내려왔다고 해서 전선저항이 어디 가는 게 아니기 때문에 최대한 집 앞까지 끌고 와서 강압을 해야 한다. 기껏 초고압으로 송전해 왔더니 배전하다가 다 날려먹을 수는 없는 노릇이니까. 전봇대 전압은 이런 현실적인 타협의 산물이다.
교류는 이런 송배전 시의 변압을 굉장히 쉽게 할 수 있는데 이 분야의 최고 존엄인 교류 변압기가 있기 때문이다. 구조가 단순해서 값도 싸고 절연만 안 깨지면 거의 반영구적으로 써먹을 수 있을 뿐더러 과부하도 잘 버티고 외부 환경에도 강하다.
다만, 송전된 전기를 받아서 직접 사용할 때에는 교류보단 직류를 사용하는 편이 대부분이다. 직류가 교류보다 안정적이고 전기의 성질을 바꾸는 정류는 과거부터 별 어려움 없이 할 수 있었으므로 가전제품은 대부분 직류를 출력하도록 만들었기 때문이다. 단지 입력을 교류로 받을 뿐이다.
회전운동에 의해 만들어진 전기이므로 회전운동을 하는 전동기를 돌리는 데 유용하다.[6] 한 나라에서 사용하는 전기의 60% 정도가 동력 부하이다. 현대에는 VVVF 인버터를 통한 주파수 제어가 가능하므로 저항으로 전기를 갖다 버리면서 속도 제어를 하는 직류 전동기보다는 효율이 좋다.[7] 또한 3상 전동기의 경우 회전 자계를 얻기가 쉽기 때문에 기동기 없이도 쉽게 회전자계를 형성시킬 수 있다. 그리고 직류 전동기에 비해 교류를 사용하는 유도 전동기의 구조가 더 간단하다. 구조가 간단하다는 것은 그만큼 제작에 용이하며, 유지비가 적게 든다는 것을 의미한다. 그래서인지 전동차의 경우 주파수 제어가 거의 불가능했던 과거에는 저항제어, 전기자 초퍼제어의 직류전동기를 사용한 전동차가 많이 생산되었지만[A], 요즘은 주로 3상 농형 유도전동기나 영구자석 동기전동기(PMSM)로 움직이는 전동차들이 생산된다. 심지어 직류전원을 받는 전동차도 인버터를 통해 교류로 변환한 다음 유도 전동기로 움직인다.[B]
2.1. 동력의 원리
교류 전기에 대한 이해에 있어서, 전기를 수로의 물길이나 바람처럼 한 방향으로 지속적으로 흘리는 것도 아닌데, 마치 줬다 뺐듯이 전류를 앞뒤로 왔다갔다만 시키는데, 기계를 작동시킬 수 있는 '동력'을 어떻게 제공하는지에 대한 혼란이 있을 수 있다. 풍차나 물레방아 같은 경우 바람이나 물길이 왔다갔다하면 제대로 회전하지 않지 않은가. 하지만 답은 간단하다. 교류를 직류로 바꾸는 정류기가 모든 가전제품에 들어 있기 때문에 교류로도 충분히 동력을 받을 수 있다. 또한 전구 같은 경우는 애초에 교류 전기만 있어도 충분히 작동할 수 있다.전구는, LED 같은 특수한 경우를 제외하고는, 어느 방향으로 전류가 흐르던 간에 필라멘트가 빛을 밝힌다. 그 말은 직류 전기를 통해 한쪽 방향으로 지속적으로 전류를 흘리건, 양쪽 방향으로 전류를 계속 진동시키듯이 좌우로 왔다갔다 하던지 간에, 전자가 필라멘트를 통과하는 순간 과부하를 받아 열과 빛을 발산하는 것이다.
송전탑 같은 경우에선, 직류는 전류 자체를 이동시키는 힘을 전송하는 반면, 교류는 전류 자체가 아니라 전류가 좌우로 왔다갔다 하는 힘, 조금 과장되게 말하면 전류가 진동하는 힘을 전달한다고 보면 된다. 그래서, 가정에서 쓰이는 전구는 교류를 받건, 직류를 받건 간에 상관 없이 전류가 필라멘트를 통과하기만 하면 무조건 빛을 발하기 때문에, 교류 전기만 공급 받는 상황에서도 가해지는 전압만 필라멘트에 맞게 낮출 수 있다면 충분히 전구를 작동할 수 있다. 하지만 집에서 사용하는 가전제품은 결이 좀 다르다.
전구와 다르게 현대의 '모든' 가전제품은 반드시 반도체를 사용한다. 버튼 하나 눌러 사용하려고 해도 반도체가 필요하다. 물론 그것만이 아니라, 모터를 사용하려고 해도 정류기를 설치해야 하기 때문에 어쩔 수 없이 회로가 필요하지만.
어쨌든, 그러한 가전제품은 왔다갔다하는 전기를 사용하면 제대로 작동하지 않는다. 반도체는 특정 방향으로 에너지(전류)를 제어해야 올바르게 논리 과정을 수행할 수 있고, 모터 또한 한쪽 방향으로만 전류가 흘러야지 한쪽 방향으로만 회전하지, 교류를 그대로 받으면 왔다갔다하기 때문이다.
그래서 모든 가전 제품은 교류를 직류로 바꾸는 정류기를 가지고 있다. 배터리가 없는 제품은 모두 정류기를 회로로서 갖추고 있거나, 컴퓨터 같은 경우 파워 서플라이가 바로 정류기다. 반면 충전식 제품은 모두 충전선에 정류기가 달려 있다. 노트북이나 핸드폰 충전기 선이 크거나 작은 네모 블럭 형태의 장치인 어뎁터에 연결되어 있는데, 바로 그게 정류기다.
정류기의 원리는 간단하다. 자세한 원리는 직류의 문서를 참고하면 된다. 정류기는 일종의 수문이다. 교류 전기에서 필요한 방향으로 전류가 흐를 땐 문을 열어 전류가 회로에서 흐르게 하고, 불필요한 방향으로 전류가 흐를 땐 문을 닫아 전류가 회로에서 거꾸로 흐르지 않도록 한다. 매우 간단한 원리.
그래서 이러한 원리들을 통해 우리는 교류 전기를 사용해서 전구나 직류 제품들에 에너지를 공급해 사용하는 것이다. 하지만 이런 교류 전기는 전압을 직류 보다 보통 쉽게 높일 수 있고, 사실상 전류 자체의 크기 보다는 전압의 세기로 나타나는 전력이기 때문에 매우 위험하다. 콘센트를 통해 교류 전기에 직접 감전되면, 교류 전기의 그 진동 같은 전류가 총알보다도 더 세차게 몸속을 뒤집어 놓기 때문에 감전 시 매우 위험하다. 물론 직류 전기도 감전되면 매우 위험하니 모두 주의가 필요한 건 마찬가지다.
3. 단점
직류에 비해 여러가지로 단점이 매우 많다. 사실상 송전 이외에 다른 모든 분야에서는 여전히 직류를 주력으로 사용한다. 도선 주위에 전자기장이 발생하여 유도 장해를 일으키게 되며 표피효과가 발생해 실제 저항이 커지면서 손실이 커지고 특히 리액턴스가 발생한다는 큰 문제점이 있다. 흔히 말하는 전자파가 전자기 유도 때문에 그렇다.리액턴스는 교류에서 전압과 전류의 변화를 방해하는 현상인데 이로 인해 직류와는 달리 전압과 전류의 비례 관계가 깨진다. 교류에서는 이 문제가 크게 다가오는데 왜냐하면 전압이 항상 움직이고 있기 때문이다. 만약 전압에 비해 전류가 느리게 따라오게 되면 필요한 만큼의 전류를 끌어오기도 전에 전압의 극성이 바뀌어버려 원하는 만큼의 전력을 얻을 수 없게 되며, 결과적으로 가용 전력도 그만큼 줄어들게 된다. 전압과 전류의 위상 차이로 인해 발생하는, 피상 전력(단순히 전압과 전류의 RMS 평균을 곱한 값)과 실제 가용한 전력의 차이를 무효 전력이라고 부른다. 무효 전력은 이론적으로는 발전기로 되돌아가는 전력이므로 무효전력이 발생하는 만큼 발전기는 적은 동력을 소모하게 되지만, 송전선의 저항 손실은 무효 전력과 무관하게 순전히 전류에만 의존(I²R)하고, 무효 전력이 있을 시에는 그리드에 동일한 실제 전력을 송전하기 위해 무효 전력만큼의 전류를 더 흘려줘야 하므로 결과적으로 무효 전력은 전체 그리드의 전력 손실을 증가시킨다.
- 극성이 변하므로 전압과 전류가 일정하지 않고 불규칙하다. 승강압이 쉬워 송전에는 용이한 점으로 작용하나, 사용하는 데에는 상당히 불편하다. 갑자기 과도한 전압이나 전류로 인해 가전제품이 쇼트되거나 반대로 전압이 낮아 제대로 동작하지 않는 일이 생길 수 있다.[10] 그러므로 사용하는 가전제품들도 교류를 직류로 전환하는 정류 기능을 자체적으로 내장하거나 혹은 외부의 직류전원장치를 통해 교류를 직류로 전환한 뒤 전기를 공급받아 사용하는 형식이 대부분이고, 교류 전원을 그대로 사용하는 제품들도 약간의 전압 오차 정도는 그냥 무시할 수 있게끔 설계한다고 한다.[11]
- 교류는 주파수가 존재한다. (일반적으로 50Hz, 미국과 대한민국은 60Hz. 자세한 사항은 하단참조)
- 때문에 교류 신호를 분석할 경우 하드웨어나 소프트웨어적으로 밴드스톱 필터(혹은 대역저지 필터)를 이용해 해당 주파수를 제거해야 한다 (이를 구현한 것을 notch filter라 부른다). 그렇기 때문에 주파수가 50/60Hz인 다른 신호가 섞여 있었다면 그 신호까지 같이 제거된다는 문제가 있다. 더불어 현실에서 구현 가능한 필터는 무조건 가우시안 분포를 따른다는 점에서, 주파수가 50/60Hz에 근접한 신호들도 어느 정도 제거된다는 점도 명심하자.
- 또한 주파수가 다른 기기를 연결할 경우 (60Hz 콘센트에 해외 직구한 50Hz짜리 전자기기를 연결한다든지) 출력 저하 또는 기기 수명에 영향을 줄 수 있는데 한국이나 북미, 대만의 경우 주파수가 60Hz, 그외 대다수의 국가에서는 50Hz로 통일되어 있어 크게 문제가 안 되지만 일본같이 동부와 서부가 서로 나눠서 50/60Hz를 쓰는 나라에게는 문제가 될수 있다.
- 전력변환기기 등의 사용으로 고조파가 생길 수 있다. 고조파는 변압기의 온도 상승 초래, 변압기의 소음 유발, 기기의 오작동 등의 문제가 발생할 수 있다.
- 교류 전원을 병렬로 연결하려면 전압뿐 아니라 주파수, 파형, 위상을 모두 정확히 일치시켜야 한다. 때문에 발전망에 발전기를 연결시킬 경우 주파수와 위상을 일치시키는 작업이 필수적이며, 태양광/풍력 발전에서도 전력망과 정확히 일치하는 파형을 만들 수 있는 특수한(계통연계형) 인버터를 사용해야 한다.
- 송전시 코로나 방전이 생길 수 있다. 오존의 발생으로 전선 부식을 야기시킬 수 있다.
- 통신선에 유도장해를 불러 일으킬 수 있다.[12]
- 무부하인 경우 정전용량의 증가로 전류가 역류하게 되는 패런티 현상을 일으킬 수 있다.
- 직류에는 없는 무효전력이란 존재 때문에 역률 개선 장치를 만들어야 한다. 한전에서도 역률 90%를 넘기는 조건으로 전기요금을 절감해 주고 있다.
- 역률을 지나치게 보상했을 경우 모선전압이 상승하는데, 이때 전압 상승으로 인해 이와 연결된 전기 기기들을 다 박살낼 우려가 있다. 잘못하면 고액 - 초고액의 민사소송사건에 휘말릴 수도 있다. 이 때문에 전기 관리자들의 야근을 요구한다.
- 전기 저장(축적)이 불가능하다. 방향이 1초에 약 50 ~ 60번(100 ~ 120번)은 바뀌므로, 축전지 안으로 들어간 전류만큼 밖으로 나와버리기 때문이다! 저장하려면 정류하여 직류로 바꿔야 한다. 말인즉슨, 건전지나 이차 전지는 무조건 직류라는 이야기.
- 분명 극성은 없는데 실제 배전의 영역에선 사실 방향성이 있다. (...) 보통 상전압이 걸리는 활선과 상전압이 걸리지 않는 중성선으로 구분된다. 3상 전력을 쓴다면 L1/L2/L3 (퉁쳐서 하트라인), 그리고 N(중성선)으로 구분된다. 국가별 표준에 의하면 전선 색상으로 상을 구분하도록 되어 있지만, 이건 회로도를 봐도 헷갈리는 문제라서 뛰어난 전력기사들도 툭 하면 활선과 중성선을 바꿔먹기 일쑤. 당장 검상기를 하나 사다가 꽂아보면 역상으로 뜨는 곳이 한두곳이 아닐 것이다. 그 어떤 건물에서도 예외가 아니다. (...) 하지만 교류에 극성은 없는지라 보통은 별 문제가 없다.[13] 보통은 문제가 생기더라도 간단히 해결되는 사소한 경우들이고 이것 이상의 문제가 생기면 그건 이미 정상적으로 전력을 쓸 수 없는 매우 심각한 문제. 활선을 중성선으로 착각하여 잘못 연결한 후 중성선 접지를 시행하면 큰 사고가 발생할 수 있다... 이건 교류의 특성 자체 때문. 실제로 220V 콘센트에 두 구멍 중 한 구멍에만 손가락만 집어넣으면 50% 확률로 감전된다. 활선은 +220V 전위를 가지고 있고, 중성선은 0V 전위를 가지고 있기 때문이다. 때문에 활선에 손가락을 집어넣는다면 감전되어 사망할 수 있다. 50% 확률이라도 절대 하지 말자. 다만 단상3선식 선로의 경우 양쪽 구멍과 접지부의 전압을 측정하면 모두 110V가 나오는 경우도 있다. 이 경우 100% 확률로 감전되긴 하지만, 상대적으로 전기충격의 강도가 덜하긴 하다. 이러한 형태는 주로 오래된 건물에서 볼 수 있는데, 과거 110V였던 곳에서 승압공사를 한 오래된 아파트나 주택에서 볼 수 있다. 단상3선식 선로의 경우 중성선을 접지하는데, 양쪽 활선간 전압은 220V이지만 각 활선과 중성 선간의 전압은 110V가 되기 때문이다. 단상3선식 선로는 센터탭이 있는 양파트랜스와 구조적으로 동일하다. 12-0-12 양파트랜스의 경우 12-0 간의 전압은 12V지만 12-12 간의 전압은 24V가 된다.
- 송전선 자체의 인덕턴스와 송전선과 대지 사이의 캐퍼시턴스의 영향으로 인해 수천 km 이상의 초장거리 송전이 어렵다. 특히 해저/지하 케이블의 경우 캐퍼시턴스가 일반 송전선에 비해 매우 커 송전 거리가 수십 km 이상 되면 무효 전력이 극심해진다. 이는 장거리 해저 송전이 대부분 직류 방식인 이유이다.
- 초전도체에서도 임피던스로 인한 저항을 받는다.
- 상 불평형 현상이 있다. 각 L1/L2/L3 상[14] 중에 같은 상만 아니면 어떻게든 연결해도(L1/L2, L1/L3, L2/L3)[15] 전류가 흐르지만, 어느 한 상에 배선을 집중시키면 배선이 집중된(=부하가 집중된) 상으로 과전류가 흘러 차단기가 떨어지거나 과열로 화재가 나는 문제가 발생한다. 전류량이나 최고/최저 전압에 따라 비율은 다르지만 보통 상 불평형률은 30% 이하로 잡아야 안전하다. 때문에 전기 설계에 있어서 3상 배선의 경우 되도록 고르게 배분하는 것을 원칙으로 삼는다.
- 같은 원리로 3상 유도전동기 같이 3상 교류를 사용하는 전기 기기에 상 불균형이 일어나면 투입되는 전류량은 많아지는데 토크값이 떨어지는 등 성능 저하나 기기가 망가지는 문제가 발생한다.
- 교류의 전압은 RMS값을 기준으로 하기 때문에 최대전압은 표기된 실효값[16]보다 높기에 고전압 기준등 각종 기준에서는 교류전압의 한계치가 직류전압에 비해 낮다. 이는 전기 배선을 할 때 더 높은 기준을 만족시키는 자재(전선 피복, 절연애자 등)를 사용해야 한다는 의미이기도 하다.
- 3상을 모두 송전해야 하므로 송전선에는 반드시 3개 이상의 전선이 필요하다. 반면 직류 송전에서는 보통 2개, 비용을 절감할 경우 1개로도 충분하다.[17]
4. 장점
- 직류에 비해 발전이 쉽다.
대부분의 발전기는 회전운동을 발전기에 의하여 발전한다. 화력발전소/원자력발전소는 증기로 터빈을 돌리고, 수력/조력발전소는 물을 이용해서 수차를 돌리며, 풍력발전기는 바람으로 프로펠러를 돌린다.[18] 이런 방법은 모두 회전 운동을 만들어 낸다. 그리고, 이 회전축에 영구자석을 달고, 코일 속에서 회전시키면 그대로 교류 발전기가 만들어 진다.[19] (정류자가 있는) 직류발전기보다 훨씬 구조가 간단하며, 대형화하기가 쉽다. 간단하다는 것은 (상대적으로) 가격이 저렴하다는 것이며, 유지보수가 쉽다는 것을 의미한다.[20] 현 시점에서 직류로 바로 출력이 가능한 전원소스는 출력이 낮거나[21] 무지막지하게 복잡한 구조[22][23]등이 필요한 관계로 이런 과정을 거치는 것 보다 교류로 만든 전기를 직류로 바꾸는 게 더 싸게 먹힌다. - 직류에 비해 변압이 쉽다.
단점만 보면 쓸모없는 방식처럼 보이지만 변압기라는 물건 덕분에 변압이 매우 간단해서 직류 송전을 밀어내고 현대의 대부분의 송전방식에서 보편적으로 쓰이는 중이다.
이 변압기로 변압이 가능하다는 점은 위에서도 언급했듯이 미친수준의 장점으로 직류를 바로 초고압으로 승압하는 것보다 직류를 교류로 바꾼뒤 변압기를 써서 승압한뒤 다시 직류로 바꾸는 방법이 더 간단한데다 비용도 훨씬 저렴하고[24] 결정적으로 현재 상용화된 초고압 직류송전의 경우 엄청난 수준의 반도체들이 투입된 매우 복잡한 시스템이지만 교류 변압기는 그냥 절연된 코일이 감겨있는 걸로 끝이라 매우 단순해서 유지보수가 크게 필요없는 경우가 많아 압도적으로 편리하다. - 장거리 송전에 유리하다.
위 항목에 연관되는 내용이긴 하지만 전압을 높여 장거리 송전을 하면 전력손실이 줄어든다. 만약, 장거리 송전이 불가능했다면 집에 발전기 설치하고, 발전기를 돌리는 데 필요한 연료를 상시 구매해야 하고, 발전기를 관리하는 사람도 고용해야 한다. 즉, 흙수저나 서민이라면 전기를 쓰는 것을 꿈도 꾸지 못했을 것이다.
참고로, 전기철도에서는 직류가 쓰이기도 하고 교류가 쓰이기도 하는데, 직류 전기철도는 1880년대, 교류 전기철도는 1900년대에 처음 개발되었다. 서로 특징이 달라서 경우에 따라 직류 전철화가 이루어지기도 하고 교류 전철화가 이루어지기도 한다. 교류는 대규모 송전과 장거리 송전에 유리하므로 변전소를 많이 설치할 필요가 없고 대출력을 내기 유리하며 같은 출력에서라면 직류보다 교류가 효율이 높기에 배차간격이 길고 화물열차나 장거리 열차가 많은 노선과 고속철도에서는 교류 전철화가 이루어지는 경향이 강하다. 반면 직류철도는 송전 문제로 변전소가 상대적으로 많이 필요하지만 직류 전동차가 교류 전동차에 비해 저렴하고, 교류 전기철도는 대체로 전압이 높아 절연 문제로 인해 터널이 직류 전기철도에 비해 커야 하며, 도심 내 단거리 노선에까지도 25,000V의 교류 전압을 사용하면 직류에 비해 괜히 전력소비만 많아 비효율적이기 때문에 단거리에 배차간격이 짧은 도시철도 노선과 지하철에서 직류 전철화가 이루어지는 경향이 강하다. 분당선이나 과천선, 신분당선, 서해선, 인천국제공항철도같이 지하 구간이 대부분임에도 교류 전철화된 경우는 고속철도를 빼면 전세계적으로도 찾기 힘들다.
다만 위에서 설명했던것 처럼 교류는 초전도 상태에서도 특유의 구조 때문에 저항이 발생하기 때문에 향후 초전도 송전이 실제로 상용화 될 경우 오히려 장거리 송전에 불리해지는 상황이 벌어지며 사실 현재도 해저 송전등은 직류를 쓰는 등 교류가 장거리 송전에 우위를 가지는 점은 그냥 전압 변환의 단순함 때문이지 교류 자체가 직류에 비해 송전이 유리하기 때문이 아니다. - 직류전동기보다 교류전동기가 효율이 더 좋다.
모터를 구동하는 것에 있어서도 직류에 비해서 훨씬 효율적이다. 모터를 구동하기 위해 정류자와 브러시 같은 소모성 부품이 필요한[25] 직류 모터와는 다르게 교류모터는 거의 반영구적으로 사용 가능한 모터도 제작가능하여 산업계에서는 거의 3상 교류모터가 보편화된 상황이며, 특히 PMSM같이 효율이 95%이상까지 가능한 모터도 있어서 VVVF등의 효율적인 제어와 더불어 대형 모터의 주력으로 자리잡는 중이다. 주로 직류로 수전받는 지하철도 일부러 인버터를 통해 교류로 바꾸어서 교류전동기 전동차를 굴리는 것도 다 그 이유 때문이다. - 직류보다 차단이 더 쉽다.
과전류나 단락전류가 흘렀을 때, 안전을 위해 차단기는 그것을 차단시켜야 한다. 문제는 차단기에서 단락전류를 버티고 회로를 off 시켜야 하는데, 교류는 특성상 전압이 0V 가 되는 순간이 존재한다. 그 시점에서 차단시킨다면 효율 좋게 차단시킬 수 있다. 하지만 직류는 전압이 일정하기 때문에 0V인 순간이 찾아올 리 없고, 당연히 차단시키는 데 있어서 교류보다 더 무리가 갈 수밖에 없다. 아크 또한 쉽게 발생하므로 직류 차단기에는 아크를 소호할 장치가 필요하다. 특히 HVDC 송전용 차단기에는 교류송전용 차단기에서 볼 수 없는 고도의 기술력이 들어간다. - 직류보다 전류 측정이 더 쉽다
직류 전류를 측정하려면 도선에 매우 작은 저항값을 가진 저항기(션트)를 넣거나, 홀센서를 사용해야 하지만, 교류는 변류기를 이용하여 전류 측정이 가능하다. 또한 같은 이유로 누전을 감지하기도 쉽다. 누전을 감지하려면 활선과 중성선이 한 철심에 서로 반대 방향으로 감긴 코일을 지나게 한 뒤 2차 코일의 전압을 검출하면 되는데, 직류에서 누전을 검출하려면 이보다 복잡한 장치가 필요하다.
5. 학습 과정
중학교 과정에서 배우는 직류와 달리, 교류는 고급 물리학[2009개정][일본] 및 대학 전공 과정에 와서야 본격적으로 배우게 된다. 삼각함수와 미적분을 포함한 고등학교 수학은 물론이고 오일러 공식, 복소함수론, 쌍곡선함수 등의 개념을 익혀야 교류를 온전히 이해할 수 있기 때문에 전기공학과 전자공학을 10배나 어렵게 만든 만악의 근원으로 지목된다. 교류 때문에 주파수, 리액턴스, 삼각함수, 미분, 적분, 복소수, 복소평면, 역률개선, 벡터, 라플라스 변환 등을 공부하여야 한다.전공자가 아닌 일반인들 기준으로 교류를 별도로 학습할 필요는 크지 않다. 실생활에서는 교류를 이용하더라도 직류로 변환하여 이용하기 때문에 직류의 이해만으로도 실생활에 큰 문제가 없다.
[1] 대표적으로 충전기의 원리가 사실은 교류를 직류로 변환하는 컨버터이다.[2] 간단하게 말하면, 인덕터는 교류의 주파수에 비례하는만큼, 커패시터는 반비례하는만큼의 전기 에너지를 먹었다가 뱉는 작용을 한다. 이들이 교류 전기 에너지를 일단 먹는 건 사실이기 때문에 교류 회로에 흐르는 전류의 세기에는 영향을 주지만, 저항이 그 전류를 소모해버리는 것과 달리 이들 소자는 먹은 전류를 다시 뱉기 때문에 이들은 전기 회로에 흐르는 전기 에너지에는 영향을 미치지 않는다. 이 작용의 크기를 리액턴스라고 하며, 이들 소자에 "걸리는" 전류는 무효 전류라고 부른다. RLC 회로 참고.[3] 실제로 직류와 교류 구간이 모두 있는 수도권 전철 1호선, 수도권 전철 4호선은 유독 아크 방전이 많이 일어나기로 악명이 높다.[4] J = 0.24I²Rt. 전류의 제곱과 저항에 비례하여 전력이 열로 변환된다는 법칙이다.[5] 전선의 저항으로 인해 받은 전기의 전압이 보낼 때의 전압보다 줄어드는 현상. 전선이 깎아먹은 전압은 앞서 언급한 줄의 법칙에 의해 전부 열이 된다.[6] 발전기: 동력 (전환)-> 동력 임을 명심하자.[7] 초퍼제어는 전기자 초퍼제어로 반도체 소자로 직류 전동기의 속도를 제어해서 효율이 좋았으나 반도체 가격이 비싸고 직류전동기로 인해 번거로운 정비로 서울교통공사(구.서울지하철공사, 서울메트로)나 부산교통공사(구.부산교통공단) 2곳을 빼고 한국철도공사 전동차로는 쓰지 못했다. 애초에 1,4호선만 해도 직교류 구간 때문에 직교류 구간을 모두 다니는 초퍼 제어 차량의 도입은 매우 어려웠다. 이런 이유로 1호선은 1996년 이전만 해도 저항제어 차량만 다녔으며 그 이후에서야 GTO 적용 VVVF 차량이 도입된거다. 계자첨가여자제어는 1980년대 나온 저항제어의 최신판이었고 실제로 과천선-안산선,분당선 차량을 계자첨가여자제어로 도입하려 했지만 철도청이 그것에 비해 고스펙이던 VVVF 차량을 원했기에 만들어지진 못했다.[A] 교류전원을 받는 전철은 정류기를 써서 직류로 바꿔 쓰는데 직류전원을 받는 전철은 그대로 사용.[B] 직류전원을 받는 경우 그대로 인버터에 교류전원으로 변환되나 교류전원을 받는 경우 정류기로 직류전원으로 변환하고 인버터로 다시 교류전원으로 바꾼다.[10] 이 때문에 전기 품질이 좋지 못한 국가나 지역에서는 이러한 현상을 막기 위한 서지 프로텍터가 거진 필수적이다.[11] 가정집 전압이 220V이지만 실제로는 그보다 더 높거나 낮을 수 있다. 대략 10 ~ 20V 가량의 오차가 존재한다.[12] 랜 케이블 내부를 보면 전선이 두 개 묶음으로 꼬여 있고, 케이블에 따라서는 접지선이나 은박지, 칸막이 같은 것을 볼 수도 있는데 유도장해를 최대한 막기 위함이다. 또한 서울 지하철 1호선 지하구간이 직류 방식으로 지어진 이유이기도 하다.[13] 다만 민감한 전자제품, 특히 산업용 제품의 경우 장기적으로는 문제가 발생할 수 있다. 특히 미국(Type-B),영국(Type-G) 같은 국가의 콘센트들은 활선과 중성선을 뒤집어 꽃을 수 없게 되어있기 때문에, 이에 대한 고려를 하지 않고 설계된 제품들도 꽤 있다. 물론 적은 전력을 사용하는 노트북, 휴대폰 충전기 수준에서는 별 문제가 되지 않는다.[14] 2020년까지는 R, S, T 였으며 2021년 KEC 규정 변경으로 L1, L2, L3로 바뀌었다.[15] 구.(R/S, R/T, S/T)[16] 정현파를 기준으로 최대값은 실효값에 비해 √2배이다. 실효값이 220V인 상용 전원의 최대값은 311V 정도가 된다.[17] 전선이 하나뿐이어도 접지를 통해 상대편 변환소와의 회로를 완성시킬 수 있다. 그러나 직류에 의한 전식(전기로 인한 부식)현상 때문에 흔히 사용되지는 않는다.[18] 풍력발전의 경우 회전수를 일정하기 맞추기 어렵기 때문에 당연히 주파수가 일정하지 않을 수밖에 없다. 그러므로 일단 직류로 바꾸고 본다.[19] 교류의 파형이 정현파인 이유도 여기에 있다. 원형으로 회전할 때 생기는 궤적은 아래와 같이 정현파가 된다.
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[20] 한 때 자동차의 발전기가 직류발전기를 썼는데 브러시와 정류자가 골칫덩이라서 교류발전기에 정류기를 달아서 쓴다.[21] 대표적으로 태양광, 열전소자 등으로 태양광과 열전소자의 출력은 매우 작아 엄청난 공간을 필요로 하거나 진짜로 적은 전력이 쓰이는 장비에만 사용된다.[22] 화학반응을 통해 발전하는 수소-연료전지가 대표적으로 연료전지 스택 자체의 복잡성은 둘째치고 수소를 생산해야 하기에 어지간한 화학공업 능력이 있는 게 아닌 이상 꿈도 꿀 수 없다.[23] 이외에도 발전 속도가 유독 느린 분야 중 하나가 전지 분야다. 희소한 리튬 대신 나트륨을 사용한 이온 전지가 2024년에 양산되기 시작했으나 아직까지는 갈 길이 멀다.[24] 다만 이 방법은 정류 소자가 버틸수 있는 전압까지만 가능하고 실질적으로 이런식의 고압승압이 많이 쓰이는 분야는 대부분 건전지 만으로 수천볼트 이상의 전압을 출력해줘야되는 전기 파리채나 전기충격기, 혹은 DC-AC(수십~수백 kHz)-DC-AC(50/60Hz) 변환을 하는 인버터 정도이다.[25] 소모성 부품이 필요하다는 것은 그만큼 유지비가 많이 든다는 의미이디.[2009개정] 물리학 II[일본] 物理