제1장

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조명을 위한 전기 공학

대전보건대학 방송제작과 2학년 B반 2007480038 김명선

목 차 1. 전류 (Direct Current : D.C) ⑴ 직류 (DC : Direct Current) ⑵ 도체 (Conductor) ⑶ 절연체 및 반도체 (Insulator and Semiconductor) ⑷ 전압 (電壓:Volt) ⑸ 저항 (低抗) ⑹ 교류 ⑺ 교류의 실효값 ⑻ 인덕턴스와 캐패시턴스 (inductance and Capacitance) ⑼ 순시전력 및 유효전력 (instantaneous Power and Active Power) ⑽ 정류 (Rectification)

목 차 2. 배전 방식 (Distribution System) ⑴ 단상 2선식 (Single Phase Two Wire System) ⑵ 단상 3선식 (Single Phase Three Wire System) ⑶ 3상 3선식 (Three Phase Three wire System) ⑷ 3상 4선식 (Three Phase Four Wire System)

1. 전류 (Electric Current)

◉ 건전지의 양극과 음극 사이에 전구를 전선으로 접속하면 전구는 빛을 낸다. 이것은 건전지에서 생긴 전기가 전지의 양극에 전구 를 지나 음극으로 이동하기 때문이다. 이와 같은 전기의 이동을 전류(Electric current)라고 한다.

◉ 전류의 단위는 암페어(Amprer, 또는 A라고 표기)를 쓰며 그 크 기는 1초 동안에 얼마만큼의 전기가 이동하는가에 따라 정해진 다.

1) 직류

(Direct Current : D.C) ◉ 만약 어떤 도체를 t초 동안에 Q쿨롱(Coulomb, 또는 C)의 전기 량이 이동하면, 이 때 흐르는 전류 I 는 I=Q/t [A]로 된다. 따라 서 1초 동안에1[C]의 전기량이 이동하면 1[A]의 전류가 흐르 는 것이 된다.

◉ 전류의 흐르는 방향이 항상 일정하며, 시간에 따라 그 크기가 변 하지 않는 전류를 직류(DirectCurrent, D.C)라고 한다. 직류를 흐르게 하는 장치로는 전지, 직류발전기, 정류기 등이 있는데, 전류는 같이 항시 양극(+)에서 음극(-)으로 흐른다. 다시 말해 서 전압과 전류의 방향과 크기가 시간에 따라 변하지 않는 것이 직류이다.

1) 직류

(Direct Current : D.C) ◉ 직류는 특히 도금이나 전기분해 등 공업분야에는 물론 무대와 스튜디오(Studio)에서 아크 스폿 조명기, 직류 모터 등에 사용 할 때 중요한 전기이다.

< 직류의 흐름 >

2) 도체

◉ 전류가 흐르기 쉬운 물질을 도체(Conductor)라 하는데 일반적 으로 금속, 비금속인 탄소를 비롯한 지구의 표면이 좋은 도체이 고, 이들 외에도 산, 알칼리나 소금이 용해된 물도 전류가 잘 흐 르는 도체이다. 전류를 흐르게 하려고 가늘고 길게 만든 금속의 줄을 전선이라 하며 전선재료의 대부분은 동(銅)이다.

3) 절연체 및 반도체

(Insulator and Semiconductor) ◉ 전기가 흐르지 않은 물질을 절연체(Insulator)라 하는데, 운모, 도자기, 고무, 합성수지 등이 이에 속하며 전기회로에서 전류가 밖으로 새지 못하도록 하는데 사용된다. 공기나 종이는 좋은 절 연물이며, 특히 종이에 기름을 먹이면 더 좋은 절연물이 되고 액체절연물에는 황 유 그리고 대두유가 있다. 운모나 석면은 전 기 다리미나 전열기에 내열 절연물로 사용한다. 옥내 또는 인체 에 닿기 쉬운 장소에서는 감전을 방지하기 위하여 고무 또는 비 닐 등을 전선에 입힌 절연전선을 쓴다.

3) 절연체 및 반도체

(Insulator and Semiconductor) ◉ 1833년 파라데이(Faraday)는 온도 상승에 따라 저항이 감소하 는 현상을 AgS로부터 발견하였는데, 이것이 반도체의 시초라고 할 수 있다. 그 후 Shockley, Brattain 및 Bardeen등에 의해 반 도체로, 즉 오늘날과 같은 트랜지스터가 발견되었다. 세계 각국 의 기술은 눈부신 발전을 거듭하여 오늘날에는 광통신, 초 LSI (Large Scale Integrated) 분야의 급성장을 가져오게 되었다.

◉ 또한 고체 내에서 전자에너지 상태는 도체, 절연체, 반도체로 구 분되며, 도체는 일부분만 전자가 충족되지 않은 허용대를 가진 것이며, 절연체는 충만대와 빈 허용대만 있고, 그 사이에 금지 대폭이 없는 것, 반도체는 금지대폭이 좁은 것으로 구분하기도 한다.

4) 전압

(Voltage) ◉ 전기회로의 일부, 예컨대 R(Ω)되는 저항체에 전류 I(A)가 흐르는 것은 그 저항체의 양단에 수압차에 상당하는 전위차(Potential Difference), 즉 전압(voltage)이 작용하고 있기 때문이다. 이와 같이 전류를 흐르게 하는 원천을 기전력 (Electro-Motice Force) 이라 하며, 전기나 발전기는 기전력을 내는 장치인데 이들을 전 원(Electric Source) 이라 한다. 기전력 또는 전압의 단위를 볼트 (Volt, V)라 하며 1V의 전압은 1Ω의 저항체에 1[A] 전류가 흐를 때의 양단간의 전압차이다. ◉ 건전지의 기전력은 1.5V, 전등 전압은 100V, 전동기의 전압은 200V이다.

5) 저항

(Resistance) ◉ 전류가 흐르기 쉬운 정도를 말할 때 도전율(Conductivity)이라는 말을 쓰며, 이와 반대로 전류가 흐르기 힘든 정도를 전기저항 (Electric Resistance)또는 저항율(Resistivity)이라는 용어를 쓴다.

◉ 저항의 단위로는 오옴(Ohm, Ω)을 쓴다. 저항은 전선의 길이에 비 례하고 단면적에 반비례한다. 즉 길이ℓ, 단면적 A인 도체의 저항 R은 비례정수를р라 하면 다음과 같은 식으로 된다. R = ℓ / рA이 р를 그 재료의 고유저항(Specific Rsistance)이라 한 다.

6) 교류

(Alternating Current : A.C) ◉ 우리가 일상생활에 이용하고 있는 전기에는 크기와 방향이 시간 에 변함이 없이 항시 일정한 직류가 있는가 하면, 시간에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 교류가 있다. ◉ 교류는 공장에서 모터를 돌리고, 전등을 켜는 일 외에도 전화, 라 디오, 텔레비전 등 우리생활에 매우 밀접하게 쓰이고 있다.

< 교류 파장의 형태 >

6) 교류

(Alternating Current : A.C) ◉ 교류는 똑같은 모양의 파형이 반복되어 흐르는 것으로 완전한 1개의 파형을 사이클(Cycle)이라고 하며, 1개의 사이클을 만드 는데 걸리는 시간을 주기(Period)라고 한다. 단위로는 초(Sec 또는 s) 를 쓴다.

◉ 1초 동안에 반복되는 사이클의 수를 주파수(Frequency 또는 Hz) 라 한다. 따라서 주파수 f와 주기 T 와는 주기(T) = 1/ 주파수(f) 라는 관계가 성립한다.

6) 교류

(Alternating Current : A.C) ◉ 우리 가정에서 선풍기를 돌린다든가, 전등을 키는데 쓰이는 있는 전기는 모두 60Hz의 정현파 교류로서 가장 널리 쓰이고 있다. 그러나 라디오 또는 텔레비젼에서는 수십만에서 수억 Hz의 교 류를 이용하고 있다. 복잡해 보이는 정현파 교류를 우리가 널리 이용하는 이유는 발전이 용이하기 때문이기도 하다.

< 사이클과 주기 >

7) 교류의 실효값

(Effective Value of Alternating Current) ◉ 교류는 직류와 달라서 시간에 따라 크기가 달라지므로 일을 하는 능력도 달라지게 된다.

◉ 교류는 시시각각으로 달라지는 e = Em sin ωt 또는 I = Im sin ωt 식과 같이 표시되는 순시전압 e (Instantaneous Volatge)와 순시전류 I (Instantaneous current)로 표시되므로 크기가 얼마 라고 말하기에는 매우 어렵다. 그러므로 교류에서는 실효값 이 라는 말을 쓰게 되는데 실효값이란 교류가 흐를 때 하는 되는 일의 양을 가지고 크기를 정한 것이다.

7) 교류의 실효값

(Effective Value of Alternating Current) ◉ 교류 i를 흘려서 직류 I[A]가 흘러 발생하는 열량을 나오게 하는 교류를 교류 i[A]의 실효값(Effective Value 또는 I) 이라 하고 기호도 I라고 쓴다. 이 때의 실효 전류의 값을 계산하여 보면, 정현파 교류의 최대값 Im 의 1√2 배가 될 때 직류 I 의 경우와 동일한 열량이 발생되는 것을 알았다. 따라서 실효 전류(I) = 1/√2× 최대전류 (Im)가 된다. 전압에서도 마찬가지로 실효 전 압(E) = 1/√2× 최대 전압(Em)이다. 우리가 전압계나 전류계에 서 읽을 수 있는 값은 모두 이 실효값이고, 일반 가정에서 말하 는 100V, 200V등도 모두 이 실효값을 말하는 것이다.

7) 교류의 실효값

(Effective Value of Alternating Current) < 교류의 실효값을 정하는 방식 >

8) 인덕턴스와 캐패시턴스

(Inductance and Capacitance) ◉ 직류에는 전류의 흐름을 방해하는 것이 저항 R뿐인데 반하여 교 류가 흐를 때는 저항 R뿐만 아니라, 유도 리액턴스 XL (Inductive Reactance) 및 용량 리액턴스 Xc (Capacitive Reactance)등이 있어 매우 복잡하다.

◉ 유도 리앤턱스 XL은 교류가 코일이나 전동기 같은 인덕턴스 L(Inductance) 가 있는 회로에 흐를 때 코일 내에 기전력을 일으 키게 되어 전류의 흐름을 방해하는 역할을 한다. 인덕턴스에 흐 르는 전류는 전압보다 90˚가 늦게 흐른다.

◉ 용량 리액턴스 Xc는 교류가 콘덴서와 같은 캐패시턴스 C (Cpapcitance)가 있는 곳에 흐를 때 방해를 받게 되는 것을 말하 는데, 이 때는 전류가 전압보다 90˚ 빠르게 흐른다.

8) 인덕턴스와 캐패시턴스

(Inductance and Capacitance) ◉ 전류의 흐름을 방해하는 역할을 하는 XL, Xc 의 단위도 오옴 (Ohm, Ω)을 쓴다. 교류 전기 는 부하의 성질에 따라서 전압과 전류 사이에 일정한 각도 θ를 유지하면서 흐르게 된다. 이와 같 이 전압과 전류 사이에 이루는 각을 입상각(Phase Angle)이라 하고 θ로 표시한다.

< R, L, C에서 전압과 전류 관계 >

9) 순시 전력 및 유효 전력

(Instantaneous Power and Active Power) ◉ 어떤 부하에 직류 전압 E를 인가하여 전류 I가 흐를 때 부하에서 소모되는 전력 P는 전력(P) = 전압(E) x 전류(I)로 계산이 된다.

< 직류와 교류전압 인가 >

9) 순시 전력 및 유효 전력

(Instantaneous Power and Active Power) ◉ 그러나 그 부하에 교류의 순시 전압 e = Em sin ωt를 인가하였 을 때 회로에 흐르는 전류는 부하의 성질에 따라 일반적으로 전 압보다 θ만큼 늦은 순시 전류 I = Im sin (ω-θ)가 흐르게 된다. 그러므로 이 때 부하에서 소모되는 전력도 시간적으로 변하는 순시 전력으로 나타나게 되어 결국 순시전력 p는, 순시전력(p) = 순시 전압(e) x 순시전류(I) = [Em sin ωt] x [Im sin (ω-θ)] 로 표시되는 복잡한 식이 되어 일정한 전력의 값을 말하기는 어 렵다. 그러므로 순시 전력 p의 평균전력 p를 구하여 보통 전력 으로 부르고 있다.

9) 순시 전력 및 유효 전력

(Instantaneous Power and Active Power) ◉ 여기에서 E와 I는 각각 실효전압과 실효 전류이고 cosθ는 교류 전기가 전력으로 되는 비율을 나타내는 것으로서 역률(Power Factor; p.f)이라고 한다. 우리들이 일반적으로 많이 쓰고 있는 전기 기기들의 역률은 다음과 같다.

9) 순시 전력 및 유효 전력

(Instantaneous Power and Active Power) ◉ 교류에서 (실효전압 E) × (실효전류 I)는 외견상 전력같이 보이 나 유효한 전력은 아니므로 피상적이라는 뜻으로 피상전력 (Apparent Power)이라 부르고 단위 Watt[W]를 쓰지 않고 Volt-Ampere[V.A]를 써서 구별하고 있다. 한편 평균 전력을 유 효전력(Effective Power)이라고도 말한다. 다음에 전류가 어떤 시간 내에 한 일의 총 전기 에너지를 전략량이라 하여 W로 표시 한다. 즉 P전력을 t시간 동안 사용하였다면, 이때 전력량 W는 = P·t[Watt.sec] 로 나타낸다.

10) 정류

(Rectification) ◉ 전류가 주기적으로 변하면서 흐르는 교류에서, 한쪽 방향으로 흐 르는 전류만을 흐르게 하고 반대방향으로 흐르는 전류는 흐르 지 못하게 하는 것을 정류라 하며, 이와 같이 어느 한 방향으로 만 전류를 흐르게 하는 장치를 정류기(Rectifier)라 한다.

반파정류 전파정류

10) 정류

(Rectification) ◉ 일반적으로 가정에서 쓰는 전등선이나 공장에서 쓰는 전력선 등 우리 주변에서 쓰고 있는 전기는 대부분 교류이다. 직류도 지하 철의 전차 등에 쓰이고 있으나 무대나 스튜디오의 조명등에 있 어서도 적지 않게 쓰이고 있어 이와 같은 경우에는 교류를 직류 로 바꾸는 장치인 정류기가 필요하다. ◉ 정류기는 수은 정류기(Mercyry Rectifier)와 실리콘 정류기 (Silicon Rectifier) 등 무수히 많다.

(1) 수은 정류기 (Mercury Rectifier) < 수은 정류기 >

(2) 실리콘 정류기(Silicon Rectifier) ◉ 실리콘 반도체의 N형과 P형을 접합하면 정류 작용을 한다. 단자 에 교류전압을 공급하면 (+)파의 교류 전류만이 P에서 N로 흐 르고 (-)파의 교류 전류는 흐르지 않는다.

◉ 이외에도 전지의 충전용이나 통신용으로 셀렌(Selenium) 정류기 가 있다.

< 실리콘 정류기 > < 셀렌 정류기 >

2. 배전 방식(Distriution System)

1) 단상 2선식

(Single Phase Two Wire System) ◉ 기전력이 1개 있는 전원에 연결된 전선이 2개 있는 방식을 단상 2선식이라고 한다. 이 방식은 주로 일반주택에서 많이 사용하 고 있다. 110V 부하는 사무실용, 빌딩, 병원,공장, 호텔 등의 건 물에서 많이 사용하고 있어 110V 전압의 전원은 모든 건물에서 필요하다. 그러나 이 방식은 동일한 같은 양의 전력을 공급하는 데 전선이 많이 소요하게 되는 결점이 있어 점차 220V로 바꾸 어 가고 있다.

1) 단상 2선식

(Single Phase Two Wire System) < 단상 2선식 >

2) 단상 3선식

(Single Phase Three Wire System) ◉ 단상 220V의 중간에서 중성선을 끌어내면, 중성선과 밖에 있는 전선과의 사이에서 110V의 전등선을 얻을 수 있고, 양끝에 있 는 전선과의 사이에서 220V인 동력 및 전열선을 얻을 수 있는 데 이와 같은 배전방식을 단상 3선식이라고 한다.

◉ 전등선이 110V선에서는 부하가 중성선을 중심으로 하여 양쪽에 균형을 이루게 되면 중성선에는 전류가 흐르지 않게 된다. 그리 고 균형을 이루지 못할 경우에는 불균형의 차이만큼에 해당하 는 전류만이 흐르게 된다.

2) 단상 3선식

(Single Phase Three Wire System) ◉ 따라서 중성선은 양끝에 있는 전선의 굵기에 비하여 가는 전선을 사용할 수 있어 단상 2선식에 비하면 경제적이라 할 수 있다. 그리고 전등과 동력을 함께 쓸 수 있기 때문에 편리한 장점이 있다.

< 단상 3선식 결선도 >

3) 3상 3선식

(Three Phase Three Wire System) ◉ 3개의 기전력을 가진 전원을 3각형인 결선으로 연결하면 3상 3 선식의 배전방식이 된다. 이와 같은 방식은 단상이 3개 있는 경 우와 같은 것인데, 단상이 따로 3개 있는 경우에는 6개의 전선 이 있어야 하는데 비하여 이 방식에서는 3개의 전선만 있으면 되므로 경제적이다. 일반 빌딩이나 공장에 시설된 전동기 대부 분이 3상 220V가 정격으로 되어 있다. 따라서 동력용 전원은 상 3선식이 가장 많이 쓰이고 있다.

3) 3상 3선식

(Three Phase Three Wire System) < 3상 3선식 결선도 >

4) 3상 4선식

(Three Phase Four Wire System) ◉ 3개의 기전력을 가진 전원을 별모양인 Y형으로 연결하고 중심에 서 중성선을 끌어내면 3상 4선식이 된다. 중성선과 다른 선들과 의 전압을 상전압 Vp(Phase Voltage)이라 하고, 중성선을 뺀 다른 선들과의 사이 전압을 선간 전압 VL이라 하는데 이들 Vp 와 VL는 다음과 같은 선간전압(Vl) × √3 ×상전압(Vp)식이 성립 된다.

◉ 이 방식은 3상 3선식 결선에 비하면 중성선이 더 있어야 하는 단 점이 있다. 그러나 전압을 두 가지로 나누어 활용할 수 있는 장 점이 있다.

4) 3상 4선식

(Three Phase Four Wire System) ◉ 미국에서 많이 쓰이고 있는 방식인데 우리나라에서도 시설비를 줄이기 위하여 큰 건물에서는 이 방식을 채용하고 있다 즉 중성 선과 각 상간의 전압을 120V, 각 상호간의 전압을 208V로 하여 단상 전등부하, 3상 동력 부하를 공동으로 활용할 수 있는 편리 한 장점이 있다.

4) 3상 4선식

(Three Phase Four Wire System) < 배전 방식에 따른 전압과 전선량 >