직류와 교류의 차이와 장단점

직류와 교류의 차이

벽면 콘센트의 100V 전원은 50Hz 또는 60Hz의 교류전원이다. 건전지 또는 AC어댑터로부터 얻는 전원은 직류전원이다.

직류전원은 항상 일정한 전압을 유지하는 전원으로, 건전지나 축전지는 사용할수록 소모되어 전압이 저하되지만, 플러스 방향의 전압인 것은 변화하지 않는다. 교류전원은 일정한 주기로 전압의 플러스와 마이너스가 변화하는 전원이다.

가정에서 사용하는 전자기기는 교류로 사용할 수 없는 경우가 많고, 교류를 직류로 변환하여 전원을 공급하고 있다. 소형 전자기기는 100V 전압이 과대한 경우도 많아, 5~24V 정도의 작은 전압으로 변환한다.

가정에서 사용하는 전기의 대부분은 직류이며, 교류로 송전되는 주택은 직류로 변환할 때의 전력 손실도 크게 발생하고 있다. 그러나 발전소에서 변전소를 거쳐 가정에 제공되는 전원은 교류가 된다.

이러한 현황에서 보면, 전력회사의 발전소에서 직류전원을 만들어 직류로 가정에 송전하는 방식이 전력 손실이 없어진다고 생각하기 쉽상이지만, 발전소에서 가정까지 직류로 송전하는 방식은 보급되지 않았다.

국내에는 직류 송전 방식으로 유명한 전기철도의 전원이 있다. 직류 전원은 모터류의 작동에 양호하고, 저속 · 고속시의 반응이 좋아서 전동기의 운전이 대부분을 차지하는 전기철도에 최적이다.

업무 시설 및 주택에 공급하는 전력은 전기, 전자기기의 구동 등 다양한 용도가 있다. 전력의 다양성이 중시되기 때문에 아직까지 교류 송전이 주류이다.

교류 송전의 장점

◆ 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.

◆ 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.

교류전원의 단점

◆ 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 실효값이며, 실제로는 √2 ~ 0 ~ -√2라는 전압의 변화가 발생하고 있다. 실효값 100V의 전압을 인가한 전기기기는 순간적으로 141V의 전압이 인가된다.

직류전원이라면 100V는 항상 100V 상태이며, 약간의 맥동을 제외하고는 플러스 마이너스 변동없이 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.

◆ 코일과 콘덴서 성분의 영향을 받는다
교류전원은 코일과 콘덴서의 영향을 받는다는 특성이 있으며, 이것은 최대의 단점으로 꼽힌다. 전력 분야에서는 페란티 효과(Ferranti effect)라는 송전단 전압보다 수전단 전압이 높아지는 현상이 있어, 장거리에 걸쳐 부설한 전력케이블에서 발생한다. 케이블과 대지에 발생하는 정전 용량의 영향으로 진상 콘덴서를 설치한 것과 같은 역률이 진행된다.

전력 계통이 ​​진행역률 쪽에 치우치면, 송전 전압보다 수전 전압이 높아지는 계통 이상으로 이어진다. 직류 계통이면 페란티 효과에 의한 전압의 영향을 받지 않으며 안정된 전력 공급이 가능하다.

직류전원의 장점

◆ 송전선이 단순하다
직류 송전하면 교류 송전과 달리 어떤 전압 범위에서도 플러스와 마이너스의 2개의 전선으로 송전이 가능하다. 교류 송전도 전선 2개로 보내지지만, 단상 2선식은 100V에만 한정되어 효율이 나빠서 송전선으로는 채용되지 않았다.

◆ 역률을 고려하지 않아도 된다
직류 송전 전압과 전류에 위상차가 없기 때문에 이동이나 지연이 발생하지 않는다. 교류 회로에서 문제가 되는 '무효 전력'을 0으로하여 송배전 기기를 설계할 수 있다.

직류전원의 단점

◆ 전류 차단이 어렵다
직류 송전에는 몇 가지 단점이 있다. 교류전원은 플러스, 제로, 마이너스라는 전압주기를 반복하기 때문에 전원을 차단할 때는 제로의 순간을 노려, 가장 충격이 적은 전원 차단이 가능하다.

직류전원은 항상 플러스 방향으로 전압이 인가되어 있기 때문에, 전압 제로의 순간이 없다. 전류가 크게 흐르고 있는 도중의 강제 차단은 차단 실패로 이어지기 때문에 위험하다. 떼어낸 부분에 아크가 계속 발생하고 전류가 차단되지 않아 방전으로 발생할 열에 의한 손상도 우려된다.

직류 차단기에서는 콘덴서를 개극 부분에 병렬 접속시켜, 차단 시점에 직류 회로에 콘덴서 방전으로 전류를 거듭 맞추어, 전류 제로의 순간을 강제로 일으켜 차단하는 기술이 사용되고 있다. 구성이 복잡하고, 교류 회로보다 장비가 고가이며 대규모이다.

◆ 전식 작용이 강하다
직류전원은 항상 플러스 방향과 마이너스 방향이 일정하고 마이너스 방향의 전로에 접촉한 금속체는 전식 작용에 노출된다. 전원에서는 플러스에서 방식 작용이 있고, 마이너스에서 부식하기 쉬워진다는 특성이 있다.

전기철도에서는, 침목 정도로 대지와 레일을 완전히 절연할 수 없기 때문에, 대지를 거쳐 부근에 미주전류를 유출시킨다. 선로에 병렬로 매설된 금속 수도관이나 전기배관은, 미주전류의 영향을 받아 부식되는 문제가 발생한다.

◆ 유지보수 부품이 많다
교류 전동기는 철심을 고정시켜 자석을 회전시키는 방식이기 때문에 자석의 축두 부분이 관리 대상이 된다. 점검 항목이 적고, 기기의 마모를 최소화하여, 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

직류 전동기는 자석을 고정시켜 철심을 회전시키는 방식이기 때문에 접점 부품이 많다. 슬립링과 브러시를 이용한 모터는 마모에 의한 오염이나 열화가 현저하고, 청소 빈도나 부품 교환 빈도가 높다는 특성이 있다. 교류 전동기보다 유지보수 비용이 높은 것이 단점으로 꼽힌다.

출처 참조 번역
直流と交流の違い
https://electric-facilities.jp/denki1/souden.html

直流と交流の違いと利点欠点 | 50Hz・60Hzの周波数の違いと理由