직류와 교류

전기에너지: 전자의 흐름으로 만들어지는 에너지

전류: 전자의 흐름(직류와 교류가 있다)

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직류(Direct Current): 높은 전위에서 낮은 전위로 전류가 연속적으로 흐른다.

 

- 직류의 장점

 

1) 전류가 흐르면서 전압의 변동이 전혀 없어서 안정적이다.

 

- 직류의 단점

 

1) 직류는 0점이 없어 차단이 곤란하다.

2) 다량의 전류를 장거리 송전하려면, 저항에 의해서 송전손실이 발생한다.

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교류(Alternating Current): 시간에 따라 주기와 방향이 끊임없이 바뀌는 전류

 

- 교류의 장점

 

1) 변압이 용이하다.

교류 송전의 가장 큰 장점은 변압이 가능한 것이다. 발전소에서 공급되는 전압은 수십만 볼트의 높은 전압으로 송전되어, 도심에 가까워질수록 감압시키는 것이 가능하다. 단독 주택 등 소규모 수요에는 200V와 100V의 전압이 공급되고 있다. 교류 송전에서는 변압기로 전압을 자유자재로 조정할 수 있어서 발전소에서 변전소까지 수십만 볼트, 변전소에서 주택 근처까지 6,600V, 주택 근처에서 주상 변압기까지 200V로 감압하는 등 필요한 곳마다 전압을 조정하는 방법을 채용할 수 있다. 이 방법으로 송배전 설비 비용을 최소화할 수 있다. 교류전원의 쉬운 전압 변환에 비해 직류전원을 감압시키기 위해서는 직류를 교류로 변환시키는 변환기를 통해 교류로 만든 후, 변압기를 사용하여 감압시켜 다시 변환기를 통해 직류로 변환하는 단계가 필요하다. 고압 DC → 고압 AC → 변압기 → 저압 AC → 저압 DC라는 흐름이 된다. 컨버터의 설비 비용과 변환 과정에서 소실되는 에너지 낭비, 변환기의 설치 비용과 설치 공간, 유지 보수 등의 볼륨도 증가하므로, 일반적으로 보급되고 있지 않고 직류의 변압은 어렵다고 여겨지고 있다.

 

2) 사고시의 차단이 용이하다.

교류 회로는 플러스 전압과 마이너스 전압을 교대로 반복하는 특성이 있다. 전기를 정지시키고 싶을 때나, 사고에 의해 강제적으로 차단해야 하는 경우, 전류 제로의 순간을 이용하여 차단하면 전기 계통 및 차단기 본체에 주는 충격을 최소화할 수 있다. 직류 송전은 항상 플러스 방향의 전압이 유지되고 있어서 차단이 어렵다는 특성이 있으며, 보호장치의 규모나 구조가 복잡하고 대규모가 되어버려, 비용 상승으로 이어진다.

 

- 교류의 단점

 

1) 목표 전압보다 높은 전압이 필요하다.

백열등이나 전열기기에 전압을 인가했을 때, 교류전원은 항상 플러스와 마이너스의 변화를 거듭하고, 전압과 전류가 0이 되는 순간 전력이 발생하지 않고, 발열도 할 수 없다. 특정 열량을 얻고자 하는 경우에는 목표 전압보다 큰 전압을 주어야 한다. 교류전원을 감안할 경우 '정현파의 최대치'라는 생각이 있다. 일반적으로 100V라는 것은 전압의 실효 값이며, 실제로는 √2 ~ 0 ~ -√2라는 전압의 변화가 발생하고 있다. 실효 값 100V의 전압을 인가한 전기기기는 순간적으로 141V의 전압이 인가된다. 직류전원이라면 100V는 항상 100V 상태이며, 약간의 맥동을 제외하고는 플러스 마이너스 변동 없이 일정한 값을 나타낸다. 교류의 경우는 100V를 보장하기 위해 141V ~ -141V라는 변동 전압을 견딜 전기장비가 필요하므로, 100V의 성능 좋은 전기기기에도 141V의 절연 성능이 요구된다. 즉, 직류기기보다 교류기기가 더 높은 전압에 견딜 수 있는 절연 성능이 필요하다. 절연 성능의 향상으로 전기기기가 커지거나 생산비용이 높아질 수도 있다.

 

2) 절연수준을 높게 해야 한다.

교류는 전류가 전선의 바깥쪽으로 흐르는 표피효과와 여러 개의 도체가 서로 가까이 있을 경우 서로의 전류 흐름에 영향을 주는 근접효과 때문에 전력 손실이 커진다. 이로 인해 직류에 비해 절연수준을 높게 해야 한다.

 

3) 소음 발생

교류는 양방향으로 흐른다. 60Hz의 경우에는 60번 곱하기 2로 120번 깜빡이기 때문에 소음이 발생한다. 또한 다른 계통을 연계하기 위해서는 전압뿐만 아니라 주파수도 일치시켜야 한다.

 

4) 전자파 형성

교류전류가 흐르는 송배전 선로 주위에는 전자파가 형성되어 인근 통신 선에 유도 장해를 일으킨다.