교류

Alternating current
교류(녹색 곡선). 가로축은 시간을 측정합니다(영전압/전류를 나타내기도 합니다). 수직, 전류 또는 전압입니다.

교류(AC)는 한 방향으로만 흐르는 직류(DC)와 달리, 주기적으로 방향을 반전시키고 시간에 따라 크기가 연속적으로 변하는 전류입니다. 교류는 기업과 주택에 전력이 공급되는 형태로 소비자가 주방 가전, 텔레비전, 선풍기, 전등 등을 벽 소켓에 꽂을 때 주로 사용하는 전기 에너지 형태입니다. ACDC의 약어는 전류나 전압을 수정할 때와 같이 각각 단순히 교류직접을 의미하는 의미로 사용되는 경우가 많습니다.[1][2]

대부분의 전력 회로에서 교류의 일반적인 파형은 전류의 양의 방향과 일치하는 양의 반주기를 가진 사인파입니다(전체 주기를 사이클이라고 합니다). 기타 앰프와 같은 특정 애플리케이션에서는 삼각파 또는 사각파와 같은 다양한 파형이 사용됩니다. 전기선으로 전달되는 오디오라디오 신호도 교류의 예입니다. 이러한 유형의 교류 전류는 때때로 AC 반송파 신호의 변조에 의해 전달되는 사운드(오디오) 또는 이미지(비디오)와 같은 정보를 운반합니다. 이러한 전류는 일반적으로 전력 전송에 사용되는 전류보다 높은 주파수에서 교대로 발생합니다.

송배전 및 가정용 전원공급장치

장거리 전력 전송의 개략적인 표현. 왼쪽에서 오른쪽으로: G= generator, U= 승압 변압기, 송전선 시작 시의 V= 전압, 송전선로에 진입하는 Pt= 전력, 전선 내 I= 전류, 전선 내 R= 총 저항, 송전선 내 손실된 Pw= 전력, Pe= 송전선 끝에 도달하는 전력, D= 승압 변압기, C= consumers.

변압기로 교류 전압을 증가시키거나 감소시킬 수 있기 때문에 전기 에너지는 교류 전류로 분배됩니다. 이를 통해 고압으로 전력선을 통해 전력을 효율적으로 전달할 수 있어 전선의 저항으로 인해 열로 손실되는 에너지를 줄이고 사용하기 위해 더 낮고 안전한 전압으로 변환됩니다. 더 높은 전압을 사용하면 훨씬 더 효율적인 전력 전송이 가능합니다. 와이어의 전력 손실( 은 다음 공식으로 설명되는 전류(I)와 와이어의 저항(R)의 곱입니다.

즉, 주어진 전선에서 고정된 전력을 전송할 때 전류가 절반으로 줄어들면(즉, 전압이 두 배로 증가하면) 전선의 저항으로 인한 전력 손실이 1/4로 줄어듭니다.

전송되는 전력은 전류와 전압의 곱과 같습니다(위상차가 없는 경우). 즉,

결과적으로, 더 높은 전압에서 전송되는 전력은 더 낮은 전압에서 동일한 전력보다 더 적은 손실 전류를 필요로 합니다. 전력은 종종 수 백 킬로볼트의 pylon으로 전송되고 수십 킬로볼트로 변환되어 하위 라인으로 전송되며 최종적으로 가정용으로 100V – 240V로 변환됩니다.

3상 고압 송전선은 교류를 이용하여 발전소와 소비자 사이의 장거리에 전력을 분배합니다. 사진 속의 선들은 유타 주 동부에 위치해 있습니다.

고전압은 필요한 절연이 증가하고 일반적으로 안전한 취급에 어려움이 증가하는 등의 단점이 있습니다. 발전소에서는 발전기의 설계를 위해 편리한 전압으로 에너지를 생산한 다음, 높은 전압까지 올라가서 송전을 합니다. 부하 근처에서는 전송 전압이 장비에서 사용하는 전압으로 내려갑니다. 소비자 전압은 부하의 국가와 크기에 따라 다소 차이가 있지만 일반적으로 모터와 조명은 단계 사이에 최대 수백 볼트를 사용할 수 있도록 제작됩니다. 조명 및 모터 부하와 같은 장비에 전달되는 전압은 표준화되어 있으며, 어떤 장비가 작동할 것으로 예상되는 전압의 허용 범위를 갖습니다. 표준 전력 사용 전압 및 허용 오차(백분율)는 세계에서 볼 수 있는 다양한 주전원 시스템에 따라 다릅니다.

고전압 직류(HVDC) 전력 전송 시스템은 기술이 DC 전력의 전압을 변경하는 효율적인 수단을 제공함에 따라 더욱 실행 가능해졌습니다. 전기 전송 초기에는 높은 전압 직류를 사용한 전송이 불가능했습니다. 그 당시에는 조명 백열전구와 같은 최종 사용자 응용 분야에서 DC의 전압을 낮출 수 있는 경제적인 방법이 없었기 때문입니다.

3상 전기 발전은 매우 일반적입니다. 가장 간단한 방법은 서로 120°(완전한 360° 위상의 1/3)의 각도만큼 물리적으로 상쇄된 3개의 개별 코일을 발전기 고정자에 사용하는 것입니다. 크기가 동일하고 위상이 120° 어긋나는 세 개의 전류 파형이 생성됩니다. 코일이 이들(60° 간격)과 반대로 추가되면 역극성으로 동일한 상을 생성하므로 간단히 함께 배선할 수 있습니다. 실제로는 더 높은 "폴 오더"가 일반적으로 사용됩니다. 예를 들어, 12극 기계에는 36개의 코일(10° 간격)이 있습니다. 더 낮은 회전 속도를 사용하여 동일한 주파수를 생성할 수 있다는 장점이 있습니다. 예를 들어, 3600rpm에서 작동하는 2극 기계와 600rpm에서 작동하는 12극 기계는 동일한 주파수를 생성합니다. 속도는 더 작으면 더 큰 기계가 좋습니다. 3상 시스템의 부하가 위상 간에 동일하게 균형을 이루면 중성점을 통해 전류가 흐르지 않습니다. 최악의 경우 불균형(선형) 부하에서도 중성 전류가 가장 높은 위상 전류를 초과하지 않습니다. 비선형 부하(예: 널리 사용되는 스위치 모드 전원 공급 장치)는 고조파를 처리하기 위해 업스트림 배전 패널에 과도한 중립 버스와 중립 도체가 필요할 수 있습니다. 고조파는 중성 도체 전류 레벨이 하나 또는 모든 위상 도체의 전류 레벨을 초과할 수 있습니다.

3상 사용 전압의 경우 4-와이어 시스템이 자주 사용됩니다. 3상 하역 시에는 델타(3선) 1차와 스타(4선, 중앙 접지) 2차가 있는 변압기가 자주 사용되므로 공급 측에 중성이 필요하지 않습니다. 소규모 고객의 경우(국가 및 설치 연령에 따라 얼마나 작은지) 단일 단계 또는 중립 단계 또는 두 단계 및 중립 단계만 숙박 시설로 이동합니다. 대규모 설치의 경우 3상 및 중립이 모두 주 배전반으로 이동됩니다. 3상 메인 패널에서 단상 및 3상 회로가 모두 차단될 수 있습니다. 중앙에 연결된 단일 변압기가 2개의 활도체를 제공하는 3선 단상 시스템은 북미의 주거용 및 소규모 상업용 건물에 대한 일반적인 분배 계획입니다. 이 배열을 "2상"이라고 잘못 부르기도 합니다. 영국의 건설 현장에서도 다른 이유로 비슷한 방법이 사용되고 있습니다. 소형 전동 공구 및 조명은 각 전원 도체와 접지 사이에 55V 전압이 있는 지역 중앙 탭 변압기에 의해 공급되어야 합니다. 이렇게 하면 살아있는 도체 중 하나가 장비 고장을 통해 노출되는 경우 감전 위험이 크게 줄어듦과 동시에 두 도체 사이에 110V의 적당한 전압을 유지하여 공구를 구동할 수 있습니다.

본드(또는 접지) 와이어라고 불리는 세 번째 와이어는 종종 비전류 금속 인클로저와 접지 사이에 연결됩니다. 이 도체는 휴대용 기기 및 공구의 금속 섀시와 회로 도체의 우발적 접촉으로 인한 감전으로부터 보호합니다. 모든 비전류 금속 부품을 하나의 완전한 시스템으로 결합하면 시스템이 고장을 제거하는 데 걸리는 시간 동안 고장 전류를 운반할 수 있을 만큼 접지에 대한 낮은 전기 임피던스 경로가 항상 존재합니다. 이러한 저임피던스 경로를 통해 최대한의 고장 전류를 공급할 수 있으므로 과전류 보호 장치(브레이커, 퓨즈)가 최대한 빨리 끊어지거나 소진되어 전기 시스템이 안전한 상태가 됩니다. 모든 본딩 와이어는 메인 서비스 패널에서 접지에 본딩되며, 중립/식별된 도체(존재하는 경우)도 접지에 본딩됩니다.

AC 전원 공급 주파수

전기 시스템의 주파수는 국가별로, 때로는 국가 내에서 다릅니다. 대부분의 전력은 50Hz 또는 60Hz에서 생산됩니다. 일부 국가에는 50Hz와 60Hz가 혼합되어 있으며, 특히 일본의 전력 전송이 있습니다. 저주파는 특히 리프팅, 파쇄 및 롤링 용도의 전기 모터와 철도와 같은 용도의 정류기형 트랙션 모터의 설계를 용이하게 합니다. 그러나 저주파는 아크 램프백열전구에서도 눈에 띄는 깜박임을 유발합니다. 낮은 주파수를 사용하면 주파수에 비례하는 전송 손실이 줄어드는 이점도 있습니다. 원래의 나이아가라 폭포 발전기는 낮은 주파수와 무거운 유도 모터를 결합하여 25Hz 전력을 생산하도록 설계되었으며, 백열등이 작동할 수 있습니다(점멸이 두드러지기는 하지만). 나이아가라 폭포 전력에 대한 25 Hz 가정 및 상업 고객의 대부분은 1950년대 후반까지 60 Hz로 전환되었지만, 일부[which?] 25 Hz 산업 고객은 21세기 초에 여전히 존재했습니다. 16.7 Hz 전력(이전의 16 2/3 Hz)은 오스트리아, 독일, 노르웨이와 같은 일부 유럽 철도 시스템에서 여전히 사용됩니다. 스웨덴스위스. 오프쇼어, 군사, 섬유 산업, 해양, 항공기 및 우주선 애플리케이션은 장비의 무게를 줄이거나 모터 속도를 높이는 이점을 위해 때때로 400Hz를 사용합니다. 컴퓨터 메인프레임 시스템은 더 작은 내부 AC-DC 변환 장치를 사용하면서 리플 감소의 이점을 위해 종종 400Hz 또는 415Hz로 전력을 공급했습니다.[citation needed]

고주파에 의한 영향

균질한 전기 전도성 와이어의 단면 전체에 직류 전류가 균일하게 흐릅니다. 어떤 주파수의 교류 전류도 전선의 중심에서 바깥 표면을 향해 강제로 떨어집니다. 이것은 교류 전류(전기 전하가 가속된 결과)가 전자기파(전자파 복사라고 알려진 현상)를 만들기 때문입니다. 전도체는 전자기파에 도움이 되지 않으므로(완벽한 전도체는 그 경계 내의 모든 전자기파를 금지합니다), 비완벽한 전도체(무한한 전기 전도성이 아닌 유한한 전도체)로 만들어진 전선은 교류를 밀어냅니다. 연관된 전자기장과 함께 전선의 중심에서 멀리 떨어져 있습니다. 교류 전류가 도체의 중심에서 밀려나는 현상을 피부 효과라고 하는데, 직류 전류는 전자기파를 만들지 않기 때문에 이러한 효과를 나타내지 않습니다.

매우 높은 주파수에서 전류는 더 이상 전선에 흐르지 않고 몇 피부 깊이의 두께 내에서 전선 표면에 효과적으로 흐릅니다. 피부 깊이는 현재 밀도가 63% 감소하는 두께입니다. 전력 전송에 사용되는 비교적 낮은 주파수(50Hz ~ 60Hz)에서도 충분히 두꺼운 도체에서는 전류의 불균일한 분배가 여전히 발생합니다. 예를 들어 구리 도체의 표피 깊이는 60Hz에서 약 8.57mm이므로 고전류 도체는 대개 질량과 비용을 줄이기 위해 비어 있습니다. 전도체 주변에서 주로 교류가 흐르는 경향은 전도체의 유효 단면을 감소시킵니다. 이는 저항이 단면적에 반비례하므로 도체의 유효 AC 저항을 증가시킵니다. 도체의 AC 저항은 DC 저항보다 높아 오믹 가열로 인해 더 높은 에너지 손실(IR2 손실이라고도 함)을 유발합니다.

AC 저항 감소를 위한 기술

낮은 주파수에서 중간 주파수의 경우, 도체는 연선으로 분할될 수 있으며, 각각의 와이어는 다른 와이어와 절연되며, 개별 가닥의 상대적인 위치는 도체 번들 내에 특별히 배치됩니다. 이 기술을 이용하여 제작한 와이어를 Litz wire라고 합니다. 이 조치는 좌초된 도체의 전체 단면에 걸쳐 더 많은 동일한 전류를 강제함으로써 피부 효과를 부분적으로 완화하는 데 도움이 됩니다. Litz 와이어는 고Q 인덕터를 만드는 데 사용되며, 더 낮은 주파수에서 매우 높은 전류를 전달하는 유연한 도체 및 스위치 모드 전원 공급 장치 및 무선 주파수 변환기와 같은 더 높은 무선 주파수 전류(최대 수백 킬로헤르츠)를 전달하는 장치의 권선에 사용됩니다.

방사선 손실을 줄이기 위한 기술

위에 쓰여 있는 것처럼 주기적인 가속 하에서 교류가 전하로 이루어져 전자기파복사를 일으킵니다. 방사되는 에너지는 손실됩니다. 주파수에 따라 방사선으로 인한 손실을 최소화하기 위해 다양한 기술을 사용합니다.

트위스트 페어

약 1GHz까지의 주파수에서 전선 쌍이 케이블에서 함께 꼬이면서 꼬인 쌍을 형성합니다. 이를 통해 전자기 복사유도 결합으로 인한 손실을 줄일 수 있습니다. 트위스트 페어는 균형 신호 시스템과 함께 사용해야 합니다. 따라서 두 와이어가 동일하지만 반대인 전류를 전달합니다. 트위스트 페어의 각 와이어는 신호를 방사하지만 다른 와이어에서 방사되는 방사선에 의해 효과적으로 상쇄되어 방사선 손실이 거의 발생하지 않습니다.

동축 케이블

동축 케이블은 편의상 오디오 주파수 이상에서 일반적으로 사용됩니다. 동축 케이블은 유전체 층으로 분리된 전도성 튜브 내부에 전도성 와이어가 있습니다. 내부 도체 표면에 흐르는 전류는 외부 튜브의 내부 표면에 흐르는 전류와 같고 반대입니다. 따라서 전자기장은 튜브 내에 완전히 포함되며, (이상적으로) 튜브 외부의 방사선이나 커플링으로 에너지가 손실되지 않습니다. 동축 케이블은 약 5GHz까지의 주파수에 대해 허용적으로 작은 손실을 갖습니다. 5GHz를 초과하는 마이크로파 주파수의 경우 손실이 너무 커지기 때문에(주로 내부와 외부 튜브를 분리하는 유전체가 비이상적인 절연체이기 때문에), 도파관은 에너지를 전송하기 위한 보다 효율적인 매체가 됩니다. 동축 케이블은 유전체에 의해 방출되는 전력을 최소화하기 위해 내부 도체와 외부 도체를 분리하기 위해 종종 천공된 유전체 층을 사용합니다.

도파관

도파관은 모두 튜브로 구성되어 있기 때문에 동축 케이블과 유사하며, 가장 큰 차이점은 도파관에 내부 도체가 없다는 것입니다. 도파관은 임의의 단면을 가질 수 있지만 직사각형 단면이 가장 일반적입니다. 도파관에는 리턴 전류를 전달할 내부 도체가 없기 때문에 도파관은 전류가 아니라 유도 전자기장을 통해 에너지를 전달할 수 없습니다. 도파관 내벽에는 표면 전류가 흐르지만, 이러한 표면 전류는 동력을 전달하지 않습니다. 전원은 유도 전자기장에 의해 전달됩니다. 표면 전류는 유도된 전자기장에 의해 설정되며, 도파관 내부에 필드를 유지하고 도파관 외부 공간으로 필드가 누출되는 것을 방지하는 효과가 있습니다. 도파관은 전송할 교류 전류의 파장과 비슷한 크기를 가지므로 마이크로파 주파수에서만 가능합니다. 이러한 기계적 타당성 외에도 도파관의 벽을 형성하는 비이상적인 금속의 전기 저항은 전력의 소산(손실 도체에 흐르는 표면 전류가 전력을 소산)을 유발합니다. 더 높은 주파수에서 이 소산으로 손실되는 전력은 용납할 수 없을 정도로 커집니다.

광섬유

200GHz 이상의 주파수에서는 도파관 치수가 비실용적으로 작아지고 도파관 벽의 오믹 손실이 커집니다. 대신 유전체 도파관의 한 형태인 광섬유를 사용할 수 있습니다. 그러한 주파수의 경우 전압과 전류의 개념은 더 이상 사용되지 않습니다.

교류 전압의 수학

사인모양의 교류 전압입니다.
  1. 절정,
  2. 피크 대 피크 진폭,
  3. 유효가치,
  4. 기간

교류는 교류 전압에 의해 동반되거나 발생합니다. 교류 전압 v는 수학적으로 시간에 대한 함수로 다음 식으로 설명할 수 있습니다.

t

어디에

  • 피크 전압(단위: 볼트)입니다.
  • {\\omega }은(는) 각도 주파수(단위: 초당 라디안)입니다.
    각 주파수는 ω =2 π f {\displaystyle \omega = 2\pi f} 등식으로 초당 사이클 수를 나타내는 주파수 f f: 헤르츠)와 관련이 있습니다.
  • t 시간(단위: 초)입니다.

AC 전압의 피크 대 피크 값은 양의 피크와 음의 피크 사이의 차이로 정의됩니다. ⁡(\sin(x)}의 최대값이 +1이고 최소값이 -1이므로 +Vtext{peak와 -V {\{peak에서 AC 전압이 스윙합니다. 피크 대 피크 전압, 일반적으로 {\ V 로 표기되며 따라서 -(- = 2 {\ V_{\text} - ( text{peak}) = 2V_{\text{peak입니다

평균 제곱근 전압

사인파, 한 주기(360°) 이상입니다. 점선은 약 0.707에서 평균 제곱근(RMS) 값을 나타냅니다.

AC 파형 아래(DC 구성 요소 없음)가 가정됩니다.

RMS 전압은 순간 전압 제곱의 한 주기 동안 평균의 제곱근입니다.

  • 주기 임의의 주기 v v
  • 사인파 전압의 경우:
    서 2⁡() = 1 - ⁡(2 x ) 2 {\displaystyle \sin ^{2}(x) = {\frac {1-\cos(2x)}{2}}의 삼각형 항등식이 사용되었으며 인자 2 {\displaystyle {\sqrt {2}}을 파형에 따라 달라지는 crest factor라고 합니다.
  • 0을 중심으로 한 삼각형 파형의 경우
  • 0을 중심으로 한 사각 파형의 경우

전압과 공급되는 전력 사이의 관계는 다음과 같습니다.

= (t) R {\displaystyle pt) = {\frac {v^{2}(t)}{R}},

여기서 R은 로드 저항을 나타냅니다.

순간 전력인 {\p(를 사용하는 것보다 시간 평균 전력을 사용하는 것이 더 실용적입니다평균화가 임의의 정수 사이클 수에 걸쳐 수행되는 경우). 따라서 AC 전압은 RMS(Root Mean Square) 값으로 표현되며, {\라고 표기됩니다 그 이유는 다음과 같습니다.

파워 발진

이 때문에 AC 전원의 파형은 전파 정류 사인이 되며 기본 주기는 전압의 절반입니다.


교류의 예

이러한 개념을 설명하기 위해 전 세계 여러 국가에서 사용되는 230V AC 주 공급 장치를 고려해 보십시오. 제곱근 평균 제곱근 값이 230V이기 때문에 이렇게 불립니다. 즉, 시간 평균 전력 공급은 P 이(가) 230V의 DC 전압에서 공급되는 전력과 동일합니다. 피크 전압(앰프)을 결정하기 위해 위 식을 다음과 같이 재배열할 수 있습니다.

230V AC의 경우 피크 전압 V × 이며 피크 전원 P × W×{\ W 2이며 이는 460RW입니다. 한 사이클(전력으로 두 사이클) 동안 전압은 0에서 325V로 상승하고 전력은 0에서 460RW로 상승하며 둘 다 0을 통해 하강합니다. 다음으로 전압이 역방향, -325V로 내려오지만 전력은 다시 460RW로 올라가고 둘 다 0으로 돌아갑니다.

정보전달

전화케이블 텔레비전의 경우와 마찬가지로 교류 전류를 사용하여 정보를 전송합니다. 정보 신호는 광범위한 AC 주파수를 통해 전달됩니다. POTS 전화 신호의 주파수는 약 3kHz로 기저대역 오디오 주파수에 가깝습니다. 케이블 텔레비전 및 기타 케이블 전송 정보 전류는 수십에서 수천 메가헤르츠의 주파수에서 교대로 발생할 수 있습니다. 이러한 주파수는 동일한 유형의 정보를 공중으로 전송하는 데 사용되는 전자파 주파수와 유사합니다.

역사

교류를 생산한 최초의 교류 발전기는 1832년 프랑스의 악기 제조사인 히폴리트 픽시(Hippolyte Pixii)에 의해 건설된 마이클 패러데이(Michael Faraday)의 원리에 기초한 발전기였습니다.[3] Pixii는 나중에 자신의 장치에 정류기를 추가하여 더 일반적으로 사용되는 직류 전류를 생성했습니다. 가장 먼저 기록된 교류의 실제 적용은 전기 치료의 발명가이자 개발자인 Guillaume Duchenne의 것입니다. 1855년, 그는 AC가 근육 수축의 전기 치료적 유발을 위해 직류보다 우수하다고 발표했습니다.[4] 교류 기술은 헝가리 Ganz Works 회사(1870년대)에 의해 더 발전되었고, 1880년대에는 세바스찬 Ziani de Ferranti, Lucien Gallard, Galileo Ferraris.

1876년, 러시아의 기술자 파벨 야블로치코프는 고전압 교류선을 따라 유도 코일 세트가 설치된 조명 시스템을 발명했습니다. 1차 권선은 전압을 변경하는 대신 2차 권선에 전력을 전달하여 하나 또는 여러 개의 자체 설계의 '전기 캔들'(아크 램프)에 연결되어 [5][6]하나의 램프가 고장이 발생하여 전체 회로가 비활성화되는 것을 방지했습니다.[5] 1878년 헝가리 부다페스트의 간즈 공장은 전기 조명을 위한 장비를 제조하기 시작했고 1883년까지 오스트리아-헝가리에 50개 이상의 시스템을 설치했습니다. AC 시스템은 아크 및 백열등, 발전기 및 기타 장비를 사용했습니다.[7]


변압기

교류 시스템은 변압기를 사용하여 전압을 낮은 수준에서 높은 수준으로 변경하고 낮은 전압에서 발전 및 소비를 허용할 수 있으며, 높은 전압에서 먼 거리를 통해 전송할 수 있으며, 도체 비용과 에너지 손실을 절약할 수 있습니다. 루시엔 갈라드와 존 딕슨 깁스가 개발한 양극형 개방형 전력 변압기가 1881년 런던에서 시연되어 웨스팅하우스의 관심을 끌었습니다. 그들은 또한 1884년 토리노에서 이 발명품을 전시했습니다. 그러나 자기 회로가 개방된 이러한 초기 유도 코일은 부하에 전력을 전달하는 데 비효율적입니다. 약 1880년까지 고전압 공급에서 저전압 부하로 교류 전력 전송의 패러다임은 직렬 회로였습니다. 램프에 낮은 전압을 제공하면서 높은 전압을 전달할 수 있도록 1:1에 가까운 비율의 오픈 코어 변압기를 그들의 프라이머리와 직렬로 연결하였습니다. 이 방법의 고유한 결함은 단일 램프(또는 다른 전기 장치)를 끄면 동일한 회로의 다른 모든 전원에 공급되는 전압에 영향을 미친다는 것이었습니다. 코어를 조정하거나 코일의 일부 주위에 자속을 우회하는 방법을 사용하는 등 직렬 회로의 이러한 문제가 있는 특성을 보완하기 위해 많은 조정 가능한 변압기 설계가 도입되었습니다.[8] 직류 시스템은 이러한 단점이 없어 초기 교류 시스템에 비해 상당한 이점을 제공했습니다.

영국에서는 1882년부터 런던에서 AC 발전기와 변압기를 개발해온 세바스찬페란티가 1886년 런던 전기 공급 회사(LESCo)를 위해 Grosvenor Gallery 발전소에서 AC 시스템을 재설계했습니다. 여기에는 Gallard와 Gibbs와 유사한 일련의 연결이 가능한 개방형 코어 변압기 디자인과 자신만의 디자인의 교류 발전기가 포함됩니다.[9] 1890년, 그는 Deptford[10] 그들의 발전소를 설계하고 템스 강 건너에 있는 Grosvenor Gallery 스테이션을 전기 변전소로 개조하여 오래된 발전소를 보편적인 AC 공급 시스템으로 통합하는 방법을 보여주었습니다.[11]

파이오니어스

헝가리 "ZBD" 팀(Karoly Zipernowsky, Ottó Bláthy, Miksa Déri), 최초의 고효율 폐쇄 코어 션트 연결 변압기의 발명가
헝가리 나기센의 세체니 이스반 기념전에 전시된 ZBD 변압기의 원형

1884년 가을[ambiguous], 부다페스트 Ganz Works의 3명의 엔지니어인 Karoly Zipernowsky, Ottó Bláthy, Miksa Déri (ZBD)는 개방형 코어 장치가 안정적으로 전압을 조절할 수 없기 때문에 비현실적이라고 판단했습니다.[12] Bláthy는 닫힌 코어의 사용을 제안했고, Zipernowski는 평행 션트 연결을 제안했고, Déri는 실험을 수행했습니다;[13] 그들의 1885년 신규 변압기(나중에 ZBD 변압기라고 불림)에 대한 공동 특허 출원에서, 그들은 구리 권선이 철선의 고리 코어에 감겨 있거나 철선의 코어로 둘러 싸여 있는 폐쇄된 자기 회로를 가진 두 가지 디자인을 설명했습니다.[8] 두 설계 모두에서 1차 권선과 2차 권선을 연결하는 자속은 의도적으로 공기를 통과하는 경로 없이 철심의 범위 내에서 거의 완전히 이동했습니다(토로이달 코어 참조). 새로운 변압기는 Gaulard와 Gibbs의 개방형 코어 양극성 장치보다 3.4배 더 효율적이었습니다.[14] 1884년 간즈 공장은 세계 최초로 고효율 AC 변압기 5대를 출하했습니다.[15] 이 첫 번째 장치는 1,400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11.6:19.4 A, ratio 1.67:1, 단상 쉘 형태로 제작되었습니다.[15]

ZBD 특허에는 다른 두 가지 주요 상호 관련 혁신이 포함되어 있습니다: 하나는 직렬 연결이 아닌 병렬 연결 사용에 관한 것입니다. 다른 하나는 공급 네트워크 전압이 이용률 부하의 전압보다 훨씬 높을 수 있도록(초기에는 1400V ~ 2000V) 고회전율 변압기를 구비하는 기능에 관한 것입니다(초기에는 100V가 선호됨).[16][17] 병렬로 연결된 배전 시스템에 사용되었을 때, 폐쇄형 코어 변압기는 마침내 가정, 기업 및 공공 공간에서 조명을 위한 전력을 제공하는 것을 기술적, 경제적으로 가능하게 했습니다.[18][19] 또 다른 중요한 이정표는 1885년 정전압 발전기의 발명에 의해 '전압원, 전압 집약적'(VSVI)[20] 시스템이 도입된 것입니다.[21] 1885년 초, 세 명의 엔지니어는 전자기 코어 적층의 발명으로 와전류 손실의 문제도 제거했습니다.[22] Ottó Bláthy는 또한 최초의 교류 전기 계량기를 발명했습니다.[23][24][25][26]

교류 전원 시스템은 직류 시스템의 한계를 극복하고 장거리에서 효율적으로 전기를 분배할 수 있는 능력으로 인해 1886년 이후 빠르게 개발되어 채택되었습니다. 1886년, ZBD 엔지니어들은 AC 발전기를 사용하여 병렬 연결된 공통 전기 네트워크인 증기 동력 로마-체르치 발전소에 전력을 공급하는 세계 최초의 발전소를 설계했습니다.[27] AC 기술의 신뢰성은 Ganz Works가 유럽의 큰 대도시를 전기화한 후에 자극을 받았습니다. 1886년 로마.[27]

웨스팅하우스 초기 AC 시스템 1887
(미국 특허 373035)

유럽의 교류 기술의 발전에 기반을 [28]조지 웨스팅하우스는 1886년 1월 8일 펜실베이니아주 피츠버그에 웨스팅하우스 전기를 설립했습니다.[29] 이 새로운 회사는 미국 전역에서 교류(AC) 전기 인프라 개발에 적극적으로 참여하게 되었습니다. Edison Electric Light Company는 Ganz ZBD 변압기에 대한 미국의 권리에 대한 옵션을 보유하고 있었고, Westinghouse는 동일한 원칙에 따라 대안적인 디자인을 추구하도록 요구했습니다. 1886년 2월, 조지 웨스팅하우스는 골라드와 깁스의 특허를 5만 달러에 사들였습니다.[30] 그는 William Stanley에게 Gaulard와 Gibbs 변압기를 미국에서 상업적으로 사용하기 위해 재설계하는 임무를 맡겼습니다.[31] 1886년 3월 20일, 스탠리는 그레이트 배링턴에서 500볼트의 지멘스 발전기의 전압을 3000볼트로 바꾼 다음, 6개의 웨스팅하우스 변압기에 의해 전압을 500볼트로 낮추는 실험을 했습니다. 이 설정으로 웨스팅하우스 회사는 그레이트 배링턴의 중심가를 따라 있는 20개의 상점에서 성공적으로 30개의 100볼트 백열전구에 전원을 공급했습니다.[32] 웨스팅하우스와 다른 교류 시스템의 확산은 1887년 말 토마스 에디슨(직류의 지지자)에 의해 반발을 일으켰는데, 그는 "전류의 전쟁"이라고 불리는 공개적인 캠페인에서 교류가 너무 위험하다고 신용을 떨어뜨리려고 시도했습니다. 1888년, 교류 시스템은 기능성 AC 모터의 도입으로 더 많은 실행 가능성을 얻었는데, 이것은 그 전까지 이 시스템들이 부족했던 것입니다. 유도 전동기인 이 디자인은 Galileo FerrarisNikola Tesla에 의해 독립적으로 발명되었습니다(테슬라의 디자인은 미국 Westinghouse에 의해 라이선스되었습니다). 이 디자인은 독일의 미하일 돌리보-도브로볼스키샤를 외젠 랑슬롯 브라운에 의해 독립적으로 현대적인 실용적인 3상 형태로 발전되었고,[33] 다른 면에서는 스웨덴의 요나스 웬스트롬에 의해 개발되었지만 브라운은 2상 시스템을 선호했습니다.

에임스 수력 발전소와 원래의 나이아가라 폭포 아담스 발전소는 최초의 수력 발전 교류 발전소 중 하나였습니다. 단상 전기의 최초의 장거리 전송은 오리건주 윌라메트 폭포에 있는 수력 발전소에서 이루어졌으며, 1890년에는 거리 조명을 위해 강 아래로 14마일 떨어진 포틀랜드 시내까지 전력을 전송했습니다.[34] 1891년 텔루라이드 콜로라도(Telluride Colorado)에 두 번째 변속기 시스템이 설치되었습니다.[35] 샌안토니오 캐년 발전기는 미국에서 장거리 전기를 공급하는 세 번째 상업용 단상 수력발전 AC 발전소였습니다. 그것은 14마일 떨어진 캘리포니아 포모나 시에 전력을 공급하기 위해 알마리안 윌리엄 데커에 의해 1892년 12월 31일에 완성되었습니다. 한편 스웨덴의 그랭게스베르크 광산에서 멀리 떨어진 폭포에서 전력을 전달할 수 있는 가능성이 탐색되었습니다. 작은 철공소가 있던 스메드예백켄스 코뮌(Smedjebackenskommun)의 Hällsjön(헬츠욘)에서 45m 떨어진 곳이 선택되었습니다. 1893년에는 3상 9.5kv 시스템을 사용하여 15km 거리에서 400마력의 동력을 전달하여 최초의 상업적 응용이 되었습니다.[36] 1893년, 데커는 캘리포니아주 레드랜즈 근처의 수력발전소 크릭 1호 수력발전소인 교류를 이용한 첫 번째 미국 상업용 3상 발전소를 설계했습니다. 데커의 디자인은 10 kV 3상 변속기를 통합하여 오늘날 미국에서 사용되는 발전, 변속기 및 모터의 전체 시스템에 대한 표준을 수립했습니다. 크로아티아의 자루가 수력발전소는 1895년 8월 28일 가동을 시작했습니다. 2개의 발전기(42Hz, 각각 550kW)와 변압기는 헝가리 회사 Ganz에서 제작하여 설치했습니다. 발전소에서 시베니크 시까지의 송전선은 나무탑 위에서 11.5킬로미터(7.1마일)에 달했고, 시의 배전망 3000V/110V에는 6개의 변환소가 있었습니다. 교류 회로 이론은 19세기 후반과 20세기 초에 빠르게 발전했습니다. 교대 전류 계산의 이론적 기초에 주목할 만한 기여자는 Charles Steinmetz, Oliver Heaviside 등이 있습니다.[37][38] 불균형 3상 시스템에서의 계산은 1918년 Charles LeGeyt Fortescue에 의해 논의된 대칭 성분 방법에 의해 단순화되었습니다.

참고 항목

참고문헌

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더보기

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