빅초이의 자본주의생존기

동기발전기 특성 시험과 병렬 운전

1. 무부하 포화곡선 = 무부하 특성곡선:

   

   
   
   • 동기 발전기의 계자 전류가 증가함에 따라 단자 전압이 증가하다가 포화 상태에 이르는 특성을 나타냄.
   • 이상적으로는 계자 전류가 증가하면 단자 전압도 계속 증가하지만, 실제로는 포화 상태에 도달하여 더 이상 증가하지 않음.
   • 표에서 휘어지는 곡선이 무하 포화곡선임.
2. 포화율 공식:
   

   

   
   
   
   • 여기서, ( AB )는 포화 전 단자 전압이고, ( BC )는 포화 상태에서의 단자 전압임.
3. 3상 단락곡선:

   

   
   
   • 단자 전압을 단락시킨 상태에서 계자 전류를 0부터 천천히 올리면서 단락 전류와의 관계를 그래프로 나타냄.
   • 3상의 경우 철심이 포화되면 전기자 반작용 때문에 감자작용이 발생하고, 자기포화가 일어나지 않게.
4. 전압 변동률:
   • 정격 분해 무부하 전압에서 전격 전압을 뺀 값을 전격 전압으로 나누어 전압 변동률을 계산함.
   • 전압 변동률 공식:
     

     

     
     
     
     • 여기서, ( V_{0} )는 무부하 전압이고, ( V_{N} )은 전격 전압임.

병렬 운전

1. 병렬 운전 조건 표:

- 용량, 전류, 출력은 달라도 된다.

2. 무효 순환 전류:
   • 기전력의 크기가 다를 때 생기는 전류로, 부하로 전류를 흘리지 않기 때문에 무효 순환 전류라고 함.
   • 위상이 다를 때도 무효 순환 전류가 발생할 수 있음.
3. 유효 순환 전류:
   • 위상이 다를 때 발생하며, 상이 같아지려는 전류를 유효 순환 전류 또는 동기화 전류라고 함.
4. 난조와 난조 방지법:
   • 난조는 부하가 증가할 때 속도가 떨어졌다가 다시 원래대로 돌아오는 현상으로, 속도 조절이 어려운 상태를 말함.
   • 난조의 원인: 부하의 급작스러운 변동에 의해 공진 작용에 의한 진동이 계속 증대하게 됨. 이 것을 난조라 하며, 정도가 심해지면 동기 운전을 이탈하게 되는데, 이를 동기 이탈(탈조)라고 함.
   • 방지 대책: 제동권선을 설치, 플라이휠 설치, 관성을 크게, 조속기의 성능을 둔하게, 단락비 크게, 동기 임피던스를 작게.
5. 안정도 향상 방법:

   

   
   
   • 단락비를 크게, 동기 임피던스를 작게, 관성모멘트를 크게, 신속한 조속기, 빠른 응답의 여자 방식.

연습 문제 정리

1. 무부하 포화곡선과 포화율 계산:
   • 포화율은 AB분의 BC로 계산.
   • 무부하 포화곡선은 계자 전류와 단자 전압 관계. 계단으로 외움.
2. 병렬 운전 조건 확인:
   • 전압, 주파수, 상순(위상), 파형이 같아야 함.
   • 출력과 용량은 달라도 무방.
3. 기전력 크기와 순환 전류:
   • 기전력 크기가 다를 때는 무효 순환 전류가 흐름.
   • 위상이 다를 때는 유효 순환 전류가 발생.
4. 난조 방지와 안정도 향상:
   • 제동권선 설치, 관성모멘트 크게, 둔한 조속기, 고조파 제거.
   • 안정도 향상을 위해 단락비 크게, 동기 임피던스 작게.

1. 동기기의 정의와 원리

• 동기기는 교류 발전기라고도 부른다.  대부분의 교류 발전기는 회전 계자형을 사용하여 안정적이고 구조가 간단하다는 특징이 있다. 
• 동기 속도란 발전기에서 자석이 회전하면서 생기는 속도이다. 아래 공식으로 계산할 수 있으며, 여기서 (f)는 주파수(Hz), (P)는 극수를 뜻한다.

2. 동기기의 특성

• 동기기(교류 발전기)는 전기자를 고정시키고 계자 자극을 회전시켜 기전력을 만들어 내는 특징이 있다.

  

• 전기자 반작용은 전기자 전류가 자속을 변화시키는 현상이다. 교차 자화 작용(횡축 반작용), 감자 작용(직축 반작용), 증자 작용(직축 반작용)이 있다.
• 교차 자화 작용은 기자력과 자속이 직각이 되는 현상이다.
• 감자 작용은 자속이 감소되어 유도 기전력이 작아지는 현상이다.
• 증자 작용은 자속이 증가되어 유도 기전력이 커지는 현상이다.

전기자 반작용 문제는 위 그래프를 이해하면 관련 문제를 모두 해결할 수 있다고 한다. 그래프의 오른쪽 상단에 표시된 감자 작용부터 시작하며 1사분면이다. 1사분면과 4사분면은 전동기를, 2사분면과 3사분면은 발전기를 나타낸다.

1사분면의 전압(V)부터 크기가 반시계 방향으로 이동함에 따라 점점 커진다고 생각하면 된다. 예를 들어, 발전기에서 감자 작용이 일어나는 시점을 묻는 문제를 생각해 보면, 감자 작용은 2사분면에 위치한다. 이는 전압(V)이 전류(I)보다 클 때 발생하는 현상이다. 

- 정리 : 1사분면(I > V), 2사분면(V > I), 3사분면(I > V), 4사분면(V > I)

3. 전기자 권선법

• 집중권과 분포권: 집중권은 기전력이 크지만 고주파가 발생하여 분포권이 선호됨. 분포권은 파형 개선에 유리하다.
• 전절권과 단절권: 전절권은 유기 기전력이 크지만, 단절권이 고주파 제거와 파형 개선에 유리하여 주로 사용된다.
• 권선법에서는 분단(분포권, 단절권)이 주로 사용된다.

4. 출제 문제 정리

1. 동기 발전기에서 계자 자속에 의한 유기 기전력과 전기자에 흐르는 부하전류가 동상인 경우의 전기자 반작용은? 

-> 교차 자화 작용(역률100%)

유도전동기의 특성

1. 비례추이

• 정의: 슬립(s)과 2차 저항(R) 사이의 비례 관계를 이용하여 전동기의 기동 특성 및 속도 제어를 가능하게 하는 특성을 비례추이라 한다.
• 기동 시: 2차 저항을 증가시키면 슬립이 증가하여 기동 전류가 줄어들고 기동 토크가 증가함. 이를 통해 보다 원활한 기동이 가능해진다.
• 속도 제어: 2차 회로에 저항을 넣어 슬립을 조절하여 전동기의 속도를 제어할 수 있다. 이는 주로 기중기, 권상기, 승강기 등에서 사용된다.

2. 원선도

• 정의: 유도 전동기의 특성을 나타내는 그래프. 전류 및 회전력, 역률, 효율, 슬립, 토크 등을 구할 수 있다.
• 작성 방법: 구속 시험과 무부하 시험을 통해 전동기의 특성을 파악하고 원선도를 작성할 수 있다.

3. 유도전동기의 출력

4. 토크 특성

• 토크와 전압의 관계: 유도 전동기의 토크는 공급 전압의 제곱에 비례한다. 전압이 절반으로 감소하면 토크는 1/4로 감소한다.
• 최대 토크: 최대 토크의 크기는 변하지 않으며, 토크의 발생 시점만 변한다.

4. 유도 전동기 토크를 구하는 공식

이 공식은 토크를 출력 전력과 회전 속도에 따라 계산하는 간단한 방법이다.

문제 예시

1. 문제: 유도 전동기의 출력 전력이 1500W이고 회전 속도가 1500rpm일 때, 토크를 구하라.
2. 풀이:

출제 문제 정리

1. 문제: 비례추이를 이용하여 속도 제어가 되는 전동기는?
   • 답: 권선형 유도 전동기.
2. 문제: 권선형 유도 전동기에서 2차 저항을 2배로 하면 슬립은 어떻게 되는가?
   • 답: 슬립도 2배 증가.
3. 문제: 권선형 유도 전동기에서 최대 토크의 크기는 저항의 변화에 따라 어떻게 되는가?
   • 답: 최대 토크의 크기는 변하지 않음.