교류전원이란?
교류전원이란 주파수를 가지고 방향과 크기를 바꾸는 교류전력을 말합니다.
전력회사에서 일반 가정에 공급되는 전기는 모두 교류전원입니다. 에어컨, 냉장고, 조명기구 등 콘센트에 꽂는 가전제품은 모두 교류전원으로 작동합니다.
산업용에서는 직류를 교류로 변환하는 장치를 교류 전원 장치라고 부르기도 하며, 널리 사용되고 있습니다.
교류전원의 사용 용도
교류전원은 일반 가전제품부터 산업기기까지 폭넓게 사용되고 있습니다.
가정용 기기로는 건조기, 에어컨, 전자레인지 등 많은 가전제품이 교류 전원으로 작동합니다. 산업용 장비로는 업무용 냉동기와 배기용 환기 송풍기, 산업용 양수 펌프 등의 동력원은 대부분 교류전원입니다.
IT 업계 등에서는 중요한 데이터 서버와 데이터 저장소를 보호하기 위해 무정전 전원 장치를 사용합니다. 무정전 전원장치란 평상시에는 상용전원으로 배터리를 충전하면서 교류전원을 공급하고, 상용전원이 끊기면 배터리를 통해 전원을 공급하는 제품을 말한다. 교류전원장치라고 하면 이 무정전 전원장치를 지칭하기도 합니다.
데이터 서버 등은 중요하고 정밀한 기기입니다. 교류전원이 조금만 흐트러져도 고장이 날 위험이 있습니다. 무정전 전원장치는 이러한 정밀기기에 무정전 교류전원을 공급하기 위한 목적으로도 사용됩니다.
또한, 의도적으로 교류전원의 교란을 일으켜 전기기기에 고장이 발생하지 않는지 시험하기 위한 시뮬레이터도 판매되고 있습니다.
교류전원의 원리
상용 교류전원은 주로 동기발전기에 의해 공급됩니다. 동기 발전기는 전자기 유도 작용을 이용하여 전력을 공급합니다.
전자기 유도 작용은 권선된 구리선에 자석을 가까이 하거나 멀리하면 전압이 발생하는 원리입니다. 동기 발전기는 내부에서 강력한 자기장을 발생시키면서 권선을 고속으로 회전시켜 발생하는 전압으로 전력을 생산합니다.
IT업계의 교류(안정화) 전원장치는 크게 AC 스태빌라이저 방식(AVR)과 주파수 변환기 방식(CV, CF)으로 나뉩니다.
1. AC 스태빌라이저 방식
AC 스태빌라이저 방식은 출력 전압, 파형을 안정화시키는 목적이 있고, 주파수 컨버터 방식은 여기에 더해 주파수를 안정화시키는 목적이 있습니다.
AC 스태빌라이저 방식은 크게 슬라이딩 방식과 탭 스위칭 방식으로 나뉩니다. 슬라이딩 방식은 서보 모터 등으로 변압기의 탭을 연속적으로 전환하여 교류 전압을 일정하게 유지하는 방식입니다.
탭 스위칭 방식은 입력된 교류의 전압을 기준 전압과 비교하여 오차를 보정하여 출력하는 방식입니다.
2. 주파수 변환기 방식
주파수 변환기 방식은 크게 선형 증폭기 방식과 인버터 방식으로 나뉩니다. 두 방식 모두 교류 전류를 일단 직류 전류로 변환합니다.
이후 선형 증폭기 방식은 선형 증폭기를, 인버터 방식은 DC/AC 인버터를 이용하여 출력 전압과 주파수를 보정하여 교류 전원으로 출력합니다.
교류전원의 장점
교류전원의 장점은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.
1. 쉬운 변압
교류전원은 변압기의 권선비에 따라 쉽게 변압을 할 수 있습니다. 장거리 송전은 고전압으로 송전하여 손실을 줄일 수 있고, 수요처에 변압기를 설치하여 전력을 쉽게 가져갈 수 있습니다.
직류 전원을 사용해도 전압을 변환하는 것은 가능하지만, 컨버터 본체의 비용과 변환 시 시간이 오래 걸립니다. 이 전압을 조정하는 방법으로 송배전 설비 비용을 절감할 수 있다는 것이 교류전원의 가장 큰 장점입니다.
2. 회로 차단이 용이
교류전원은 플러스 전압과 마이너스 전압을 번갈아 가며 반복하는 것이 특징입니다. 만약 사고나 재해 시 전류를 일시적으로 차단하고 싶을 때, 전류가 0이 되는 순간을 이용해 차단함으로써 전기 계통이나 차단기 본체의 손상을 최소화할 수 있습니다.
교류전원의 기타 정보
교류전원의 발명
교류전원을 발명한 사람은 니콜라 테슬라라는 발명가입니다. 테슬라는 지금의 크로아티아 공화국에서 태어나 어려서부터 수학에 두각을 보였습니다.
그라츠 공과대학 재학 중 ‘그램 발전기(발전기와 모터의 기능을 모두 갖춘 직류 전류 발생 장치)’를 본 테슬라는 발전 방법의 개선에 대해 생각하게 됩니다. 그리고 5년 후, 세계 최초로 교류 발전 장치인 ‘2상 교류 모터’를 발명하는 데 성공합니다.
이후 테슬라는 교류에 대한 생각을 발전시켜 직류로 유명한 토마스 에디슨의 밑에서 일하게 됩니다. 하지만 직류 전류의 발명가인 에디슨은 테슬라가 발명한 교류 전류에 대해 부정적이었습니다.
두 사람 모두 자신이 발명한 전류의 유용성과 안전성을 어필했고, 이후 ‘직류의 에디슨 vs 교류의 테슬라’라는 구도가 형성되었습니다. 이 대립 끝에 테슬라의 교류가 대중적으로 인정받았고, 오늘날 교류는 없어서는 안 될 존재로 자리 잡았습니다.