3상 교류 전류 (Three-Phase Power)

3상 교류(AC) 전력은 일반적으로 전력 소모가 많은 기계를 수용하는 상업 및 산업용 건물뿐만 아니라 데이터 센터에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 단상 AC 전원에 비해 3상 전원이 더 많은 전력과 더 큰 효율성을 제공할 수 있기 때문에 그럴 만한 이유가 있습니다. 단상 AC는 조명 및 소형 가전제품과 같은 대부분의 가정용 및 경량 상업용으로 일반적으로 사용되는 유형입니다. 

 

단상 전력 시스템과 3상 전력 시스템 간의 주요 차이점에 대해 설명합니다.

 

3상 전원이 필요한 이유

데이터 센터와 서버실의 밀도가 계속 높아짐에 따라 전력량을 계속해서 증가시킬 수 있는 능력은 특히 중요합니다. 오늘날의 컴퓨터와 네트워크가 필요로 하는 전력의 극히 일부만 소비하는 서버를 수용했던 것과 동일한 공간에 더 강력한 컴퓨팅 시스템이 채워지고 있습니다.

10대의 서버로 구성된 단일 IT 랙이 총 5kW(kW)의 전력을 소비하는 것은 그리 오래되지 않았습니다. 오늘날에는 동일한 랙에 총 20kW 또는 30kW의 전력을 소비하는 수십 대의 서버를 수용할 수 있습니다. 이러한 수준에서는 전력 소비가 조금만 개선되어도 시간이 지남에 따라 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있기 때문에 자연스럽게 효율성에 중점을 두고자 합니다.

배선은 또 다른 문제입니다. 15kW 랙을 생각해 보십시오. 120V AC(VAC)의 단상 전력을 사용하면 랙에 전원을 공급하는 데 125A의 전류가 소요됩니다. 이 경우 직경이 거의 4분의 1인치(AWG 4)에 달하는 와이어가 필요합니다. 이 와이어는 너무 두꺼워서 쉽게 작업할 수 없고 비용도 많이 듭니다.

 

3상이 더 효율적이기 때문에 더 작은 배선을 사용하여 동일한 전력(더 많은 전력)을 공급할 수 있습니다. 3상 전력을 사용하여 동일한 15kW 랙을 지원하려면 42암페어(AWG 10)를 공급할 수 있는 3개의 와이어가 필요합니다. 이는 각각 직경이 1/10인치 미만인 크기의 와이어입니다.

 

단상 AC 전원 설명

단상 AC 전원은 하나의 "핫" 와이어, 중성 와이어 및 접지로 구성된 3선 전달 시스템을 사용합니다. AC 전원을 사용하면 전원 전류 또는 전압이 주기적으로 역전되어 부하에 전력을 공급하는 핫 와이어와 중성 와이어를 통해 한 방향으로 흐릅니다. 360도 위상 변화 중에 전체 전원 주기가 발생하며, 전압은 세계 다른 지역에서 사용 중인 시스템에 따라 초당 50회 또는 60회 자체적으로 역전됩니다. 북미에서는 60배 또는 60헤르츠(Hz)입니다.

중요한 것은 전류가 흐르는 두 다리가 항상 180도씩 떨어져 있다는 것입니다. 이를 시각화하려면, 기술적으로 정의된 주파수와 진폭을 가진 사인파를 타는 것처럼 전력을 생각해 보십시오. 각 사이클에서 각 와이어의 파형은 동시에 0 진폭을 두 번 통과합니다(그림 1 참조). 이러한 경우에는 부하에 전력이 공급되지 않습니다.

Figure 1

 

이러한 짧은 중단은 사무실 환경과 같은 주거용 및 상업용 건물 애플리케이션에는 아무런 차이가 없지만, 대형 기계뿐만 아니라 컴퓨터 및 기타 IT 장비에 전원을 공급하는 모터에는 상당한 영향을 미칩니다.

3상 전원 투입

3상 전원 시스템은 세 개의 개별 전류를 제공하며, 각 전류는 전체 사이클을 완료하는 데 걸리는 시간의 1/3로 분리됩니다. 그러나  항상 180도씩 떨어져 있는 단상과 반대로 3상에서는 전류가 120도씩 떨어져 있습니다.

아래 그림 2에서 한 라인이 최대 전류일 때 다른 두 라인은 그렇지 않음을 알 수 있습니다. 예를 들어, 1단계가 양의 피크일 때 2단계와 3단계는 모두 -0.5입니다. 이는 단상 전류와 달리 부하에 전력이 공급되지 않는 지점이 없다는 것을 의미합니다. 실제로 각 단계에서 6개의 서로 다른 위치에서 선 중 하나가 최대 양 또는 음의 위치에 있습니다.

실질적인 목적을 위해 이는 세 가지 전류에 의해 공급되는 전력의 집합적인 양이 일정하게 유지됨을 의미합니다. 단상과 같이 주기적인 피크와 계곡이 없습니다.

중장비에 사용되는 컴퓨터와 많은 모터는 이것을 염두에 두고 설계되었습니다. 단상 AC 전력에 내재된 변동을 고려할 필요 없이 일정한 전력 흐름을 지속적으로 끌어낼 수 있습니다. 결과적으로, 그들은 에너지를 덜 사용합니다.

예를 들어 단일 실린더 엔진과 3기통 엔진을 비교해 보겠습니다. 두 모델 모두 4행정 모델(흡기, 압축, 출력, 배기)에서 작동합니다. 단일 실린더 엔진을 사용하면 실린더 4행정마다 "전원" 사이클이 한 번만 발생하므로 다소 불균일한 전원 공급이 가능합니다. 이와는 대조적으로 3행정 엔진은 3개의 교대 단계(다시 120도로 분리됨)로 동력을 공급하여 보다 부드럽고 일정하며 효율적인 동력을 제공합니다.

 Figure 2

3상 전원의 이점

3상 전원이 제공하는 이점 중 하나는 두 배의 와이어를 필요로 하지 않고 단상 시스템의 두 배에 가까운 전력을 제공할 수 있다는 것입니다. 일반적으로 하나의 핫라인을 사용하여 다른 핫라인에 연결하기 때문에 예상보다 세 배의 전력이 공급되지 않습니다.

3상이 어떻게 더 많은 전력을 전달하는지 이해하려면 계산을 해야 합니다.

 

단상 전력의 공식은 전력 = 전압(V) x 전류(I) x 전력 계수(PF)입니다.

 

회로의 부하가 저항적이라고 가정하면 역률은 단일(또는 하나)이며 공식이 P = V x I로 감소합니다.

20A를 지원하는 120V 회로를 고려하면 전력은 2,400W와 같습니다.

3상 회로의 전력 공식은 전력 = 전압(V) x 전류(I) x 전력 계수(PF) x 3의 제곱근입니다.

 

회로의 부하가 저항적이라고 가정할 경우 역률은 단일(또는 하나)이므로 공식이 P = V x x 제곱근 3으로 줄어듭니다.

120V 3상 회로를 고려하고 각 위상이 20A를 지원하는 경우 공식은 120V x 20A x 1.732 = 4,440W로 작동합니다.

이것이 3상이 단상 시스템보다 거의 두 배의 전력을 제공할 수 있는 방법입니다.

이는 단순화된 예이지만 더 높은 전압(예: 208 또는 480V) 또는 전류(예: 30A 이상)를 지원하는 회로에서 사용 가능한 추가 전력을 조사하는 데 사용할 수 있습니다.

이러한 용량은 IT 장비 랙에 전원을 공급할 때 유용합니다. 한때 랙에 단상 전력을 사용하는 것이 일반적이었지만, IT 랙의 밀도가 증가함에 따라 실현 가능성과 실용성이 떨어졌습니다. 모든 케이블, 컨덕터 및 소켓은 점점 더 커지고, 더 비싸지며, 작업하기가 점점 더 어려워집니다.

3상 전원을 서버 랙에 직접 공급하면 더 많은 전력을 공급하면서도 저렴한 케이블 및 기타 구성 요소를 사용할 수 있습니다. 그러나 각 회로가 균형을 이루고 회로 용량을 초과하지 않도록 각 회로의 부하에 주의를 기울여야 합니다.