전동기
1. 개요
전동기는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치로, 자기장 내에서 전류가 받는 힘을 이용한다. 직류, 교류, 특수 모터 등 다양한 종류가 있으며, 회전자와 고정자로 구성된다. 원리는 자기장 속에서 전류가 자기력을 받는 로렌츠 힘에 기반하며, 직류 전동기는 정류자를, 교류 전동기는 슬립 링 또는 외부 정류 방식을 사용한다. 용도는 노면 전차, 전기 제품, 공장 자동화 등 매우 다양하며, 소음과 진동, 에너지 손실 등의 특성을 고려하여 설계된다.
| 영어 | Electric motor |
|---|---|
| 일본어 | 電動機 (でんどうき) |
| 한자 | 電動機 |
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| 종류 | 회전 전기 기계 |
|---|---|
| 기능 | 전기 에너지를 기계 에너지로 변환 |
| 원리 | 자기장 내의 전류 도체가 받는 힘 전자기 유도 |
| 주요 구성 요소 | 고정자 (Stator) 회전자 (Rotor) |
|---|---|
| 작동 원리 | 고정자 코일에 전류를 흘려 자기장 형성 회전자 코일에 자기력 발생, 회전 운동 유도 플레밍의 왼손 법칙 적용 |
| 종류에 따른 원리 | 직류 전동기: 고정자 자기장과 회전자 전류 방향 제어 교류 전동기: 교류 전원의 자기장 변화 이용 |
| 종류 | 직권 전동기 분권 전동기 복권 전동기 |
|---|---|
| 작동 특징 | 기동 토크가 크고, 속도 제어 용이 |
| 용도 | 장난감 가전제품 산업용 기계 |
| 종류 | 동기 전동기 유도 전동기 |
|---|---|
| 작동 특징 | 구조가 간단하고 내구성이 좋음 |
| 용도 | 산업 현장 가전 제품 전철 |
| 초기 개발 | 마이클 패러데이의 전자기 유도 발견 (1821년) 최초의 전동기 제작 (1830년대) |
|---|---|
| 상용화 | 제너브 그램의 실용적인 직류 전동기 개발 (1870년대) 니콜라 테슬라의 교류 전동기 개발 (1880년대) |
| 제어 방식 | 전압 제어 전류 제어 주파수 제어 |
|---|---|
| 효율성 | 효율적인 에너지 변환 에너지 절약 중요 |
| 다양한 응용 | 전기 자동차 로봇 산업 자동화 |
| 관련 학문 | 전기 공학 제어 공학 기계 공학 |
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전자기 구성요소 -
레일건
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전자기 구성요소 -
전자계전기
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영국의 발명품 -
수력 발전
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영국의 발명품 -
텔레비전
텔레비전은 움직이는 영상과 소리를 전기 신호로 변환하여 전송하고 수신 측에서 다시 영상과 소리로 바꾸는 기술을 이용한 매체로, 닙코프 원판을 이용한 초기 기계식 방식에서 음극선관 발명을 통해 전자식으로 발전하여 디지털 기술과 다양한 디스플레이 기술 발전을 거쳐 현재에 이르렀으며 사회, 문화, 경제적으로 큰 영향을 미치지만 건강 문제 및 부정적 콘텐츠 노출 등의 부작용도 존재한다. -
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공 (악기)
공은 금속으로 제작된 타악기로, 다양한 문화권에서 의식, 신호, 음악 연주 등에 사용되며, 형태와 용도에 따라 여러 종류로 나뉜다. -
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국무회의
국무회의는 대한민국 대통령을 의장으로, 예산, 법률안, 외교, 군사 등 국정 현안을 심의하는 중요한 기관이며, 대통령, 국무총리, 국무위원으로 구성되고, 정례회의는 매주 1회, 임시회의는 필요에 따라 소집된다.
2. 원리
전류가 자기장 속에서 흐를 때 자기력이 작용하여 돌림힘이 발생하는 것이 전동기의 기본 원리이다. 이 자기력의 방향은 자기장과 전류 방향에 직각이며, 로런츠 힘으로 표현된다.
전동기는 고정자와 회전자로 구성되며, 이 중 하나가 회전하는 자기장을 발생시켜 구동력을 얻는다. 실제 전동기는 크게 직류 전동기와 유도 전동기 두 가지 방식으로 나뉜다.
2.1. 직류 전동기
자계에 직각으로 코일을 놓고 전류를 흐르게 하면, 코일 양쪽에서 반대 방향으로 전류가 흘러 돌림힘이 발생한다. 이러한 원리를 이용한 것이 직류전동기이다.
최초의 직류 전동기는 1832년 영국의 과학자 윌리엄 스터전이 발명했다. 1837년 미국의 발명가 토마스 데이븐포트와 에밀리 데이븐포트는 직류 전동기 특허를 받았다. 이 모터는 분당 최대 600회전으로 작동하며 공작 기계와 인쇄기를 구동했지만, 일차 전지 전력의 높은 비용으로 인해 상업적으로 성공하지 못했다.
1834년 5월, 프로이센/러시아의 모리츠 폰 야코비는 최초의 실제 회전 전동기를 만들었다. 그의 모터는 세계 기록을 세웠고, 1838년 9월에 이 기록을 향상시켰다. 그의 두 번째 모터는 14명의 사람들을 태운 보트를 넓은 강을 건너갈 수 있을 만큼 강력했다.
1864년, 안토니오 파치노티는 링 아마추어를 최초로 설명하면서 중요한 전환점이 마련되었다. 이것은 대칭적으로 그룹화된 코일이 스스로 닫히고 정류자의 바에 연결되어 브러시가 거의 변동이 없는 전류를 제공하는 것이 특징이다.
1871년, 제노브 그람은 파치노티의 설계를 재발명하고 베르너 지멘스의 몇 가지 해결책을 채택하여 최초의 상업적으로 성공적인 직류 모터를 개발하였다.
1872년, 지멘스 앤 할스케의 프리드리히 폰 헤프너-알테넥은 파치노티의 링 아마추어를 대체하기 위해 드럼 로터를 도입하여 기계 효율을 향상시켰다. 1880년, 요나스 벤스트롬은 권선을 수용하기 위해 로터에 슬롯을 제공하여 효율을 더욱 높였다.
1886년, 프랭크 줄리안 스프래그는 가변 부하에서 비교적 일정한 속도를 유지하는 불꽃이 발생하지 않는 최초의 실용적인 직류 모터를 발명했다. 스프래그의 모터와 관련 발명품은 산업용 전동기에 대한 관심과 사용을 폭발적으로 증가시켰다.
2.2. 유도 전동기
변화하는 자계 속에 도체를 놓으면 전자기 유도 법칙에 따라 도체에 전류가 흐르고, 이 전류와 자기장의 상호작용으로 돌림힘이 발생하는데, 이를 이용한 것이 유도 전동기이다.
갈릴레오 페라리스는 1885년에 최초로 교류 정류자가 없는 유도 전동기를 발명하였다. 1886년에 페라리스는 더욱 발전된 장치를 제작하여 자신의 초기 설계를 개선했다. 1888년, 토리노 왕립 과학 아카데미는 전동기 작동의 기본 원리를 자세히 설명하는 페라리스의 연구 결과를 발표했지만, 당시에는 "그 원리에 기반한 장치는 전동기로서 상업적으로 중요하지 않을 것"이라는 결론을 내렸다.
니콜라 테슬라는 1887년에 독자적으로 유도 전동기를 발명하고 1888년 5월에 특허를 취득했다. 같은 해 테슬라는 AIEE에 "새로운 교류 전동기 및 변압기 시스템"이라는 논문을 발표하여 자신이 특허를 받은 세 가지 2상 4극 스테이터 전동기 유형을 설명했다. 조지 웨스팅하우스는 테슬라의 특허를 매입하고, 테슬라를 고용하여 전동기를 개발하게 했다.
미하일 돌리보-도브롤보스키는 1889년에 3상 유도 전동기를 발명했다. 찰스 유진 랜슬롯 브라운과 함께 더 큰 모델을 개발했는데, 이것들은 실용적인 작동에 적합한 최초의 3상 비동기 전동기였다.
제너럴 일렉트릭은 1891년에 3상 유도 전동기를 개발하기 시작했다. 1896년까지 제너럴 일렉트릭과 웨스팅하우스는 막대 권선 로터 설계에 대한 상호 라이선스 계약을 체결했다.
3. 구성
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전동기는 회전하는 회전자(로터)와 고정된 고정자(스테이터)로 구성되며, 회전자의 회전을 외부로 전달하는 회전 축, 회전축을 지지하는 베어링, 손실로 발생한 열을 냉각하는 냉각 장치 등이 있다.
회전자와 고정자의 자기장을 발생시키는 부분을 계자라고 하며, 로터를 둘러싸도록 배치된 전자석이나 자기장을 유도하는 강자성체의 철심에 전선을 감은 것 또는 영구 자석이 사용된다. 정류자 전동기나 동기 전동기에서 계자와 상호 작용하여 토크를 얻기 위한 자기장을 발생시키는 것을 전기자라고 한다. 전선에 전류가 흐르면 계자의 자기장에 의해 로렌츠 힘이 작용하여 로터를 회전시킨다.
부하 장치와 연결하는 커플링, 회전 속도를 낮춰 목적하는 토크를 얻기 위한 감속기 등이 부속 장치로 연결된다. 정류자 전동기는 정류자와 브러시를 통해 전기자에 흐르는 전류를 바꿔 회전 방향을 유지한다.
3.1. 회전자
회전자는 기계적 동력을 전달하는 회전 부분이다. 회전자는 일반적으로 전류를 전달하는 도체를 가지고 있으며, 이 도체에 고정자의 자기장이 힘을 가하여 축을 회전시킨다. 회전자는 영구 자석 또는 전자석으로 구성될 수 있다.
고정자의 자기장과 회전자 내부 전류에 의해 힘이 작용하여 축이 회전한다. 로터에 영구 자석을 넣고, 스테이터에 도선을 가지도록 할 수도 있다. 스테이터와 로터 사이에는 회전하기 위한 틈(갭)이 필요한데, 이 틈의 폭은 모터의 전기적 특성에 크게 영향을 미치며, 모터의 역률이 낮아지는 주요 원인이 된다. 갭이 크면 자화 전류가 증가하고 역률이 저하되므로 갭은 좁은 것이 좋지만, 너무 작으면 소음, 손실, 기계적인 문제가 발생할 수 있다.
3.2. 고정자
고정자는 회전자를 둘러싸는 부품으로, 전자석(강자성체 철심 주위에 전선을 감은 것)이나 영구 자석을 고정하는 역할을 한다. 이들은 회전자 전기자를 통과하는 자기장을 생성하여 회전자 권선에 힘을 작용하게 한다.
고정자 코어는 여러 개의 얇은 금속판을 쌓아 만든 적층 구조로 되어 있다. 이 금속판들은 각각 절연되어 있으며, 특정 자기 투과율, 히스테리시스 및 포화도를 갖는 전기강판으로 만들어진다. 이러한 적층 구조는 고체 코어를 사용할 때 발생하는 와전류로 인한 에너지 손실을 줄여준다.
일반적인 교류 전원을 사용하는 전동기는 권선 내부의 전선을 고정하기 위해 진공 상태에서 바니시를 함침하기도 한다. 이는 권선 내 전선들이 서로 진동하여 절연체가 마모되고 조기에 고장 나는 것을 방지한다. 심정 펌프, 세탁기, 에어컨 등에 사용되는 수지 충전 모터는 부식을 방지하거나 전도성 잡음을 줄이기 위해 고정자를 플라스틱 수지로 봉입하기도 한다.
3.3. 기타 구성 요소
정류자와 브러시는 직류 전동기에서 전기자에 흐르는 전류를 바꿔 회전 방향을 유지하는 부품이다. 정류자는 회전자에 전류를 공급하는 회전식 전기 스위치로, 전기자 위에 여러 개의 금속 접점으로 구성된 원통이 설치되어 있다. 브러시는 카본 등의 부드러운 2개 이상의 도전성 접점으로, 정류자에 눌려 회전하면서 정류자의 연속된 세그먼트와 미끄럼 접촉하여 회전자에 전류를 공급한다. 정류자는 반 회전(180°)마다 로터의 권선에 흐르는 전류 방향을 주기적으로 반전시켜 고정자의 자기장이 로터에 주는 토크가 항상 같은 방향이 되도록 한다. 그러나 정류자는 효율이 나빠, 브러시리스 DC 모터, 영구 자석 모터, 유도 전동기로 대체되고 있다.
회전축을 지지하는 베어링은 회전자의 회전을 돕고, 손실로 발생한 열을 냉각하는 냉각 장치도 전동기의 구성 요소이다.
코일은 적층된 연철제 자성체 코어에 전류를 흘렸을 때 자극을 형성하도록 감은 선이다.
회전자와 고정자 사이에는 회전하기 위한 틈(갭)이 필요하다. 이 틈은 모터의 전기적 특성에 큰 영향을 미치며, 역률이 낮아지는 주요 원인이 된다. 틈이 크면 자화 전류가 증가하고 역률이 저하되므로 좁은 것이 좋지만, 너무 작으면 소음, 손실, 기계적 문제가 발생할 수 있다.
4. 종류
고정자와 회전자 사이의 공극은 회전자의 회전을 허용한다. 공극의 폭은 모터의 전기적 특성에 상당한 영향을 주는데, 큰 공극은 성능을 저하시키므로 일반적으로 가능한 한 작게 만든다. 반대로, 너무 작은 공극은 소음 외에도 마찰을 발생시킬 수 있다.
전동기는 매우 다양한 종류가 있다.
* 정류자 모터
영구자석 여자형 정류자 모터
전자석 여자형 정류자 모터
* 직권 정류자 모터
* 병렬권선 정류자 모터
* 복권 정류자 모터
교류 정류자 모터
* 유도 전동기
삼상 유도 전동기
* 다람쥐장 유도 전동기
* 권선형 유도 전동기
단상 유도 전동기
* 동기 전동기
영구자석 동기 전동기
* 무정류자 전동기
히스테리시스 동기 전동기
전자석 동기 전동기
** 릴럭턴스 모터
* 스테핑 모터
4.1. 회전자에 따른 분류
# 영구자석 계자 (Permanent Magnet Type): 영구 자석의 극을 원주 방향에 배치하면, 고정자의 극 이동에 따라 구동력이 발생한다.
# 전자석 계자: 회전자에 자기장을 갖게 하는 것은 전자석으로도 가능하므로, 회전자·고정자 모두 전자석으로 하는 구성이다.
# 투자율의 차이 (Variable Reluctance Type): 자성체에 돌기를 설치하는 등 자력선이 통과하기 쉬운 곳과 통과하기 어려운 곳을 마련하면 구동력이 발생한다.
# 아라고의 원판: 금속 도체를 두면, 자장의 변화에 따라 와전류가 발생하고, 와전류가 만드는 자기장과의 상호 작용으로 구동력이 발생한다.
# 권선형 유도 전동기: 도체 코일을 두면, 자장의 변화에 따라 코일에 흐르는 전류가 발생하고, 그것에 의한 자기장과의 상호 작용으로 구동력이 발생한다.
4.2. 전류의 종류에 따른 분류
직류 전동기, 교류 전동기는 전동기 구조에 따른 구분이 아니라 사용 방법에 따른 구분으로 생각할 수 있으며, 어느 쪽으로든 회전하는 전동기도 있을 수 있다.
* 정류자 모터
영구자석 여자형 정류자 모터
전자석 여자형 정류자 모터
* 직권 정류자 모터
* 병렬권선 정류자 모터
* 복권 정류자 모터
교류 정류자 모터
* 유도 전동기
삼상 유도 전동기
* 다람쥐장 유도 전동기
* 권선형 유도 전동기
단상 유도 전동기
* 동기 전동기
영구자석 동기 전동기
* 무정류자 전동기
히스테리시스 동기 전동기
전자석 동기 전동기
** 릴럭턴스 모터
* 스테핑 모터
* 삼상 교류: 상용 삼상 교류(120도씩 위상이 어긋난 정현파)를 3개 또는 그 배수의 코일에 공급하여 회전하는 자계를 발생시킬 수 있다.
* 단상 교류: 콘덴서를 사용하여 위상을 변화시킨 다른 한 상을 만들곤 한다.
* 가변전압 가변주파수 제어 인버터에 의한 삼상 교류: 상용 삼상 교류는 주파수가 일정하므로, 기동이나 속도를 바꾸기 위해 사용된다.
* 직류 펄스: 위상이 다른 펄스 전압을 별도의 코일에 공급한다. 스테핑 모터가 이에 해당한다.
* 무정류자 전동기 (Brushless DC Motor)는 센서로 회전자 위치를 검출하여 그에 따라 직류 전류의 극성을 바꾸는 것이다.
4.3. 기타 분류
* 정류자 전동기
* 영구자석 여자형 정류자 모터
* 전자석 여자형 정류자 모터
* 직권 정류자 모터
* 병렬권선 정류자 모터
* 복권 정류자 모터
* 교류 정류자 모터
* 유도 전동기
* 삼상 유도 전동기
* 다람쥐장 유도 전동기
* 권선형 유도 전동기
* 단상 유도 전동기
* 동기 전동기
* 영구자석 동기 전동기
* 무정류자 전동기
* 히스테리시스 동기 전동기
* 전자석 동기 전동기
* 릴럭턴스 모터
* 스테핑 모터
5. 특수 전동기
대부분의 전동기는 전기에 의해 자기장의 변화를 만들어내고, 그 자기장의 변화에 의해 회전력을 생성하는 것이 일반적이지만, 다음과 같이 다른 원리와 구조를 가진 특수한 전동기가 있다.
선형 모터는 회전식 전동기의 고정자에 해당하는 일직선으로 길게 뻗은 부분 위에 회전자에 해당하는 부분을 놓고, 자기장의 변화에 의해 직선 운동을 얻는 것이다. 선형 유도 전동기(LIM), 선형 동기 전동기(LSM), 선형 직류 전동기(LDM), 선형 스테핑 모터, 선형 압전 모터, 선형 정전 모터 등이 있다.
초음파 진동 모터
초음파 모터(超音波モーター)는 진동체의 변형에 의한 미세한 위치 변화를 마찰에 의해 회전 운동이나 직선 운동으로 바꾼다. 로렌츠 힘을 사용하는 기존의 모터와 비교하여 효율이 낮다.
압전 소자를 이용하는 압전 모터는 카메라의 초점 조절 외에도, 하이레졸루션 오디오용 이어폰의 초음파 대역을 재생하는 스피커 드라이버 등에 이용되고 있다.
진동 모터는 휴대전화 등에서 수신을 진동으로 알리는 목적으로 개발된 것이 있다. 소형의 경우, 회전자의 무게 중심이 치우쳐 만들어져 회전자 자신이 진동을 만들어내는 추가 되는 것이 있다.
6. 역사
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1740년대, 스코틀랜드의 수도사 앤드루 고든과 미국의 실험가 벤자민 프랭클린이 제작한 간단한 정전기 장치가 최초의 전동기였다. 현대의 전자기 모터 이전에는 정전기의 힘으로 작동하는 모터(정전 모터)에 대한 실험이 이루어졌다.
1771년, 헨리 캐번디시가 그 이론적 원리를 발견했지만 발표하지 않았고, 1785년 쿨롱이 독자적으로 발견하여 발표했기 때문에 쿨롱의 법칙이라고 불린다. 실용적인 크기의 힘을 발생시키려면 고전압이 필요하기 때문에 정전 모터는 실용화되지 않았다.
1799년, 알레산드로 볼타가 화학 전지를 발명하면서 지속적인 전류를 만들어낼 수 있게 되었다.
1820년, 한스 크리스티안 외르스테드는 전류가 자기장을 만들고 자석에 힘을 작용한다는 것을 발견했다. 앙드레 마리 앙페르는 불과 몇 주 만에 전자기 상호 작용에 의한 기계적 힘의 발생을 기술한 앙페르의 법칙을 발표했다.
1821년, 영국의 과학자 마이클 패러데이가 전자기적 수단으로 전기에너지를 운동에너지로 변환하는 실험을 했다. 도선을 위에서 매달아 수은 풀에 약간 담그고, 그 위에 영구 자석을 놓았다. 그 도선에 전류를 흘리면 도선 주위에 원형 자기장이 발생하고, 자석 주위에서 도선이 회전한다. 이 실험은 학교의 물리학 수업에서도 자주 실시되지만, 독성이 있는 수은 대신 소금물을 사용하기도 한다. 이것은 단극 전동기라고 불리는 가장 단순한 형태의 전동기이다. 후에 이를 개량한 Barlow's Wheel도 있다. 이들은 실험용으로, 동력원으로서 실용적인 것은 아니었다.
1827년, 헝가리의 예드릭 아뇨시는 전자기 작용으로 회전하는 장치의 실험을 시작하여 그것을 "lightning-magnetic self-rotors"라고 불렀다. 그는 그것을 대학 교육에 사용했으며, 1828년에는 고정자, 전기자와 정류자라는 실용적인 직류 모터의 3대 요소를 갖춘 세계 최초의 실용적인 직류 전동기 실험에 성공했다. 그 고정 부분과 회전 부분 모두 전자석이었고, 영구 자석은 사용하지 않았다. 이 장치 또한 실험용으로 동력원으로 사용할 수 있는 것은 아니었다.
1832년, 영국의 과학자 윌리엄 스터전이 기계의 동력원으로 사용할 수 있는 세계 최초의 정류자식 직류 전동기를 발명했다.
1837년, 미국에서 토마스 다번포트와 그의 아내 에밀리가 상용화 가능한 수준의 정류자식 직류 전동기를 개발하여 특허를 취득했다. 이 전동기는 분당 최대 600회전으로, 인쇄기 등의 기계를 구동했다. 당시 전원은 전지밖에 없었고, 전극용 아연은 매우 고가였다. 그 때문에 다번포트 부부는 상업적으로 실패하여 파산했다. 다른 직류 전동기를 개발한 발명가들도 몇몇 있었지만, 모두 전원 비용 문제에 직면했다. 당시 전력망은 아직 존재하지 않았다.
1885년, 갈릴레오 페라리스에 의해 최초의 교류 정류자 없는 유도 전동기가 발명되었다.
1887년, 니콜라 테슬라는 최초의 실용적인 교류 전동기와 다상 송전 시스템을 발명하고, 1888년에 특허를 취득했다.
1895년, 시바우라 제작소(현재의 도시바)가 동광산 펌프용 6극 25마력(18.5kW)의 일본 최초의 2상 유도 전동기를 개발하였다.
1901년, 명전사가 1마력(0.75kW)의 3상 유도 전동기를 제조하였다.
1906년, 명전사가 독자적인 설계법으로 5마력(3.8kW) 이하의 3상 유도 전동기를 표준화하여 범용 전동기로서 본격 생산을 시작하였다.
7. 용도
전동기는 목적에 따라 여러 가지 성질의 동력 장치를 만들 수 있고, 다른 원동기에 비해 가볍고 소음이 덜하며 소형이다. 또 고장이 적고 유지보수가 간단하며 기동, 정지가 쉽다. 그리고 전력은 전선을 가설할 수 있는 곳에는 수송이 가능하며, 필요한 양을 끌어내어 사용할 수 있는 이점이 있다. 그런 까닭에 증기 기관차는 노면 전차, 전기 동력분산식 열차, 전기 기관차로 바뀌었고, 배기 가스가 없는 이점으로 지하철은 전기철도를 쓰는 것으로 바뀌었다. 더 나아가 고속철도가 개발되었다. 그리고 가정 전화(電化) 제품으로 쓰여 가사의 방법들을 일변시키게 되었다. 또 소형이고 간단히 장치할 수 있을 뿐 아니라 고속으로 회전하면서 그 성능도 안정성이 있고 고성능 기계를 만들 수 있게 되어 생산의 기계화 및 자동화를 촉진시켰다. 이런 이유로 이제는 석탄, 석유, 가스, 원자력, 수력으로써 공급되는 1차 에너지의 대다수는 일단 전기 에너지로 바뀐 다음 급전망을 통해서 공장이나 가정으로 배전되며 거기서 필요한 형태의 동력으로 변환되고 있다.