Y-Δ 변환 문서 원본 보기

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'''Y-Δ 변환'''(Y-Δ transform, wye-delta transform) 또는 '''T-Π 변환'''(T-Π transform, star-pi transform)은 [[전기 회로]] 분석을 간단하게 할 수 있는 수학적 기술 중 하나이다. 이 변환의 이름은 분석하고자 하는 [[회로도]] 모양이 각각 알파벳 Y와 [[그리스 문자]] [[Δ]](델타)로 보인 것에서 따왔다. 이 회로 변환은 1899년 [[아서 에드윈 케넬리]]가 처음 발표하였다.<ref>A.E. Kennelly, "Equivalence of triangles and three-pointed stars in conducting networks", ''Electrical World and Engineer'', vol. 34, pp. 413–414, 1899.</ref> 이 변환은 오늘날 [[3상전력]] 회로 분석에서 광범위하게 사용된다.

Y-Δ 변환은 3개의 [[저항기]]가 달린, [[스타-매쉬 변환]]의 특수해라고 볼 수도 있다. 수학에서 Y-Δ 변환은 [[평면 그래프]] 이론 해석에서 중요한 역할을 한다.<ref>E.B. Curtis, D. Ingerman, J.A. Morrow, [http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0024379598100873 Circular planar graphs and resistor networks], ''Linear Algebra and its Applications'', vol. 238, pp. 115–150, 1998.</ref>

== 명칭 ==
[[파일:Theoreme de kennelly2.svg|섬네일|300x300px|T-Π 변환을 보여주는 그림]]
Y-Δ 변환은 많은 다른 이름으로도 알려져 있는데, 주로 2가지 모양을 따와서 이름이 붙여있다. 하나는 '''Y'''를 '''T'''(또는 star)로 바꿔 부르거나, '''Δ'''(델타)를 삼각형 또는 '''[[Π]]'''(그리스 문자 파이), 매쉬로 바꿔서 부른다. 보통은 이 변환 이름을 와이-델타, 델타-와이, 티-파이, 파이-티 변환 4가지로 부른다.
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== 기초 변환 ==
[[파일:Wye-delta-2.svg|오른쪽|섬네일|300px|이 글에서 사용되는 Δ 및 Y 회로]]
이 변환은 3개의 선으로 연결된 서로 다른 모양의 회로망이 실제로는 같은 것임을 보여준다. 3개의 말단부 공통 노드에 전력을 공급하는 능동소자가 하나도 없을 경우, 임피던스 변환을 통해 노드를 없앨 수 있다. 회로가 등가임을 보이기 위하여 두 회로망의 양 끝단 사이 총 임피던스는 항상 같아야 한다. 여기에 주어진 방정식은 실제로 복잡한 임피던스일 경우에도 해당된다.

=== Δ에서 Y로의 변환 ===
Y 회로의 양단 임피던스 <math>R_y</math>은 Δ 회로에서의 인접 노드로의 임피던스 <math>R'</math>, <math>R''</math>를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:<math>R_y = \frac{R'R''}{\sum R_\Delta}</math>

여기서 <math>R_\Delta</math>는 Δ 회로에서의 모든 임피던스이다. 이 식을 통하여 각각의 임피던스를 구하면 다음과 같다.

:<math>\begin{align}
  R_1 &= \frac{R_bR_c}{R_a + R_b + R_c} \\
  R_2 &= \frac{R_aR_c}{R_a + R_b + R_c} \\
  R_3 &= \frac{R_aR_b}{R_a + R_b + R_c}
\end{align}</math>

=== Y에서 Δ로의 변환 ===
Δ 회로에서 임피던스 <math>R_\Delta</math>를 구하는 식은 다음과 같다.

:<math>R_\Delta = \frac{R_P}{R_\mathrm{opposite}}</math>

여기서 <math>R_P = R_1R_2+R_2R_3+R_3R_1</math>은 Y 회로에서 모든 임피던스 쌍의 곱의 합이며, <math>R_\mathrm{opposite}</math>는 <math>R_\Delta</math>와 정 반대에 있는 양 끝단의 Y 회로의 노드 임피던스이다. 이를 통해 구한 각각의 모서리의 임피던스는 다음과 같다.

:<math>\begin{align}
  R_a &= \frac{R_1R_2 + R_2R_3 + R_3R_1}{R_1} \\
  R_b &= \frac{R_1R_2 + R_2R_3 + R_3R_1}{R_2} \\
  R_c &= \frac{R_1R_2 + R_2R_3 + R_3R_1}{R_3}
\end{align}</math>

== 변환의 존재성과 유일성 증명 ==
이 변환의 존재성은 [[중첩 정리|회로 이론의 중첩 정리]]를 통해 보일 수 있다. 더욱 일반화한 [[스타-매쉬 변환]]에서 유도하는 것 보다는 더 짧게 증명할 수 있다. 두 회로가 동등함은 3개 노드(<math>N_1, N_2, N_3</math>)의 외부 전압(<math>V_1, V_2, V_3</math>)과 그에 대응하는 전류(<math>I_1, I_2, I_3</math>)가 Y 회로에서 Δ 회로로, 또는 그 반대로 넘어가도 같음을 보여 증명할 수 있다. 이 증명을 위하여 노드에 주어진 외부 전류를 통해 이를 계산할 것이다. 중첩정리에 따르면, 3개 노드의 전류를 이용하여 3가지 노드 방정식에서 전압의 선형 합을 통해 총 전압을 구할 수 있다.

:(1) <math>(I_1-I_2)/3, -(I_1-I_2)/3, 0</math>

:(2) <math>0,(I_2-I_3)/3,-(I_2-I_3)/3</math>

:(3) <math>-(I_3-I_1)/3, 0, (I_3-I_1)/3</math>

여기서 [[키르히호프의 전기회로 법칙]]에 따라 <math>I_1+I_2+I_3=0</math>이다. 이 회로망에는 이상 전류원이 하나만 있기 때문에 각 방정식을 푸는 것은 간단하다. 각 상황에서 양 노드의 전압이 서로 동일하게 될려면 두 회로의 등가저항이 같아야 하는데, 이는 [[직렬 회로와 병렬 회로]]의 기초 법칙을 이용해 증명할 수 있다.

:<math>R_3+R_1 = \frac{(R_c+R_a)R_b}{R_a + R_b + R_c},</math> <!-- extra space  --> <math>\frac{R_3}{R_1} = \frac{R_a}{R_c}.</math>

6개의 방정식은 3개의 다른 변수 <math>R_a,R_b,R_c</math>로 알고자 하는 변수 <math>R_1,R_2,R_3</math>를 나타내기 충분하나, 이 방정식이 실제 위에 나타낸 것처럼 나타낼 수 있다는 걸 보이는 건 간단하다. 실제로, 중첩정리를 통하여 저항 값 사이의 관계를 보일 수 있을 뿐 아니라, 이 해가 유일함도 보장한다.

== 회로망의 간단화 ==
2개의 단말부가 있는 저항 회로는 이론적으로 1개의 등가저항을 가진 회로로 [[등가 임피던스 변환|간단하게 변환]]할 수 있다. 직렬 및 병렬 변환은 간단화를 위한 가장 기초적인 도구이나 이 문서에 쓰여 있는 브릿지와 같은 복잡한 회로에는 적용하기 어렵다.

Y-Δ 변환을 이용하여 아래의 그림과 같이 한번에 1개의 노드를 없애고 더 간단한 회로망을 만들 수 있다.

[[파일:wye-delta bridge simplification.svg|가운데|섬네일|480px|브릿지 저항회로에서 노드 ''D''를 없애기 위해 Y-Δ 변환을 사용하여 더 단순한 회로망으로 바꾼 모습]]

노드를 추가하는 Δ-Y 변환 같은 경우에는 직병렬 등으로 더욱 회로 선을 단순화할 수 있도록 해준다.

[[파일:delta-wye bridge simplification.svg|가운데|섬네일|336px|브릿지 저항회로에서, Δ-Y 변환을 이용하여 회로를 간단하게 바꾸는 모습]]

[[평면 그래프]] 모양의 모든 2극 회로망은 직병렬 변환,Δ-Y 변환, Y-Δ 변환을 이용하여 단일 등가저항을 가진 회로로 바꿀 수 있다.<ref>Klaus Truemper. [http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jgt.3190130202/abstract On the delta-wye reduction for planar graphs]. ''J. Graph Theory'' 13(2):141–148, 1989.</ref> 하지만, [[원환면]] 모양으로 정사각형 회로가 서로 이어져 있는 형태이거나, [[페테르센 족]] 모양과 같이 평면이 아닌 모양의 회로망은 Y-Δ 변환을 사용하여 단일 등가저항을 가진 회로로 단순화할 수 없는 경우가 존재한다.

== 그래프 이론 ==
[[그래프 이론]]에서 Y-Δ 변환이란 한 그래프 내의 Y [[부분 그래프]]를 등가의 Δ 부분 그래프로 변환하는 작업을 의미한다. 이 변환은 그래프의 변 수는 그대로이나, 꼭짓점의 수나 [[순환 (그래프 이론)|순환]]의 수는 달라질 수 있다. 두 그래프가 한 그래프에서 Y-Δ 변환을 통해 다른 그래프로 모양을 바꿀 수 있다면 이 두 그래프는 '''Y-Δ 등가'''라고 부른다. 예를 들어, [[페테르센 족]]은 Y-Δ [[동치관계]]이다.

== 예시 ==
=== Δ에서 Y로의 변환 ===
[[파일:Wye-delta-2.svg|오른쪽|섬네일|325px|이 글에서 사용할 Δ 회로와 Y 회로]]

Δ 회로에서의 <math>\{R_a, R_b, R_c\}</math>를 Y 회로의 <math>\{R_1,R_2,R_3\}</math>로 바꾸기 위해, 두 회로에 대응되는 임피던스를 비교하자. 어느 회로에서든 임피던스는 회로에서 노드 중 하나가 끊어진 것과 같이 생각한 상태에서 결정된다.

Δ 회로에서 ''N''<sub>3</sub>이 끊어진 상태에서 ''N''<sub>1</sub>과 ''N''<sub>2</sub> 사이의 임피던스는 다음과 같다.

:<math>\begin{align}
  R_\Delta(N_1, N_2) &= R_c \parallel (R_a + R_b) \\
                     &= \frac{1}{\frac{1}{R_c} + \frac{1}{R_a + R_b}} \\
                     &= \frac{R_c(R_a + R_b)}{R_a + R_b + R_c}
\end{align}</math>

식을 간단하게 하기 위해, <math>\{R_a, R_b, R_c\}</math>를 <math>R_T</math>라고 정의하자.
:<math> R_T = R_a + R_b + R_c </math>

따라서,

:<math> R_\Delta(N_1, N_2) = \frac{R_c(R_a+R_b)}{R_T} </math>

Y 회로에서 N<sub>1</sub>과 N<sub>2</sub> 사이에 대응되는 임피던스를 구하는 법은 간단하다.

:<math>R_Y(N_1, N_2) = R_1 + R_2</math>

그러므로,

:<math>R_1+R_2 = \frac{R_c(R_a+R_b)}{R_T}</math>   (1)

위의 계산식을 통하여, <math>R(N_2,N_3)</math>의 값은 다음과 같다.

:<math>R_2+R_3 = \frac{R_a(R_b+R_c)}{R_T}</math>   (2)

<math>R(N_1,N_3)</math>의 값은 다음과 같다.

:<math>R_1+R_3 = \frac{R_b(R_a+R_c)}{R_T}.</math>   (3)

여기서, 위 3개 방정식의 선형 계산(더하기/빼기)을 통하여 <math>\{R_1,R_2,R_3\}</math>를 구할 수 있다.

예를 들어, (1) 식과 (3) 식을 더한 후 (2) 식을 빼면 다음과 같다.

:<math>
R_1+R_2+R_1+R_3-R_2-R_3 =
  \frac{R_c(R_a+R_b)}{R_T}
+ \frac{R_b(R_a+R_c)}{R_T}
- \frac{R_a(R_b+R_c)}{R_T}
</math>

:<math>2R_1 = \frac{2R_bR_c}{R_T}</math>

따라서,

:<math>R_1 = \frac{R_bR_c}{R_T}.</math>

여기서,
<math> R_T = R_a + R_b + R_c </math>이다.

식을 정리하면 다음과 같다.

:<math>R_1 = \frac{R_bR_c}{R_T}</math> (4)

<!-- extra space between lines of "displayed" [[TeX]] for legibility -->

:<math>R_2 = \frac{R_aR_c}{R_T}</math> (5)

<!-- extra space between lines of "displayed" [[TeX]] for legibility -->

:<math>R_3 = \frac{R_aR_b}{R_T}</math> (6)

=== Y에서 Δ로의 변환 ===
식을 간단하게 하기 위해 다음과 같은 가정을 하자.

:<math>R_T = R_a+R_b+R_c</math>.

여기서 우리는 Δ 회로에서 Y 회로로 변환하는 방정식을 다음과 같이 세울 수 있다.

:<math>R_1 = \frac{R_bR_c}{R_T} </math>   (1)

<!-- extra space between lines of "displayed" [[TeX]] for legibility -->

:<math>R_2 = \frac{R_aR_c}{R_T} </math>   (2)

<!-- extra space between lines of "displayed" [[TeX]] for legibility -->

:<math>R_3 = \frac{R_aR_b}{R_T}. </math>   (3)

3개 방정식을 두개씩 묶어 서로 곱해주면 다음과 같다.

:<math>R_1R_2 = \frac{R_aR_bR_c^2}{R_T^2}</math>   (4)

<!-- extra space between lines of "displayed" [[TeX]] for legibility -->

:<math>R_1R_3 = \frac{R_aR_b^2R_c}{R_T^2}</math>   (5)

<!-- extra space between lines of "displayed" [[TeX]] for legibility -->

:<math>R_2R_3 = \frac{R_a^2R_bR_c}{R_T^2}</math>   (6)

여기서, 3개 방정식을 다 더하면 다음과 같다.

:<math>R_1R_2 + R_1R_3 + R_2R_3 = \frac{R_aR_bR_c^2 + R_aR_b^2R_c + R_a^2R_bR_c}{R_T^2}</math>   (7)

여기서 우변 분자의 <math>R_aR_bR_c</math>를 묶어서 <math>R_T</math>를 밖으로 빼면 분모의 <math>R_T</math>와 나눌 수 있다.

:<math>R_1R_2 + R_1R_3 + R_2R_3 = \frac{(R_aR_bR_c)(R_a+R_b+R_c)}{R_T^2}</math>

:<math>R_1R_2 + R_1R_3 + R_2R_3 = \frac{R_aR_bR_c}{R_T}</math> (8)

(8)의 식과 {(1),(2),(3)} 식은 서로 유사하다.

(8)을 (1)로 나누면 다음과 같다.

:<math>\frac{R_1R_2 + R_1R_3 + R_2R_3}{R_1} = \frac{R_aR_bR_c}{R_T}\frac{R_T}{R_bR_c},</math>

:<math>\frac{R_1R_2 + R_1R_3 + R_2R_3}{R_1} = R_a,</math>

이 식은 <math>R_a</math> 값에 대한 식이다. (8) 식을 (2)나 (3)으로 나누면 <math>R_b</math>와 <math>R_c</math>를 구할 수 있다.

== 같이 보기 ==
* [[스타-매쉬 변환]]
* [[회로 이론]]
* [[전기 회로]], [[단상 전력]], [[교류]], [[3상전력]], [[다상 시스템]]
* [[교류전동기|교류 전동기]]
* [[니콜라 테슬라]]
* [[존 홉킨슨]]
* [[미하일 돌리보도브로볼스키]]
* [[찰스 프로테우스 스타인메츠]]

== 각주 ==
{{각주}}

== 참고 문헌 ==
* William Stevenson, ''Elements of Power System Analysis'' 3rd ed., McGraw Hill, New York, 1975, {{ISBN|0-07-061285-4}}

== 외부 링크 ==
* [http://www.designcabana.com/knowledge/electrical/basics/resistors Star-Triangle Conversion] {{웹아카이브|url=https://web.archive.org/web/20090830032520/http://www.designcabana.com/knowledge/electrical/basics/resistors}}: Knowledge on resistive networks and resistors
* [http://www.elektro-energetika.cz/calculations/transfigurace.php?language=english Calculator of Star-Triangle transform]

[[분류:전기 회로]]
[[분류:회로 정리]]
[[분류:교류 전력]]