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電氣 機器
서울공업고등학교 전기과 김 종 오 제Ⅰ장. 직류기 - (전기기기 관련 사이트 소개) 기기 마을: http://www.modulestudy.com/cyber/
자기장 중에 있는 도체를 움직이면 도체에 전압이 유도된다. 이 원리에 의해서 직류 전압을 얻을 수 있으며, 직류를 발생하는 장치를 직류 발전기라고 한다. 또한 자기장 중의 도체에 직류 전류를 흘리면 도체에 전자력이 작용하여 토크가 발생한다. 이 원리를 이용한 동력장치를 직류 전동기라고 한다. 가. 발전기의 원리 - 관련사이트 소개: http://blue.hallym.ac.kr/main/lab/Walter%20Fendt/Pe/physengl/generatorengl.php3 |
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1) 교류발전기의 원리 그림(a)와 같이 자극 N, S 사이에 코일 abcd를 배치시킨 후, 그림과 같이 양 끝에 금속편(슬립링) S1, S2를 접속하여 일정한 방향으로 코일(회전자)을 회전시키면 코일 양단에 유도기전력이 발생한다. 이 기전력은 코일이 반회전할 때마다 방향이 바뀌는 교류가 된다. 2) 직류발전기의 원리 그림(a)는 코일 abcd의 양 끝에 반원형 금속편(정류자) C1, C2를 접속한 후 고정되어 있는 도체 B1, B2(브러시)를 C1과 C2의 표면에 접촉하면 C1, C2와 B1, B2의 작용에 의해 코일 abcd의 양단에 발생된 교류기전력은 직류기전력으로 바뀐다. 나. 직류 전동기의 원리 자기장 중에 있는 코일에 정류자를 접속시키고 브러시를 통해서 직류 전압을 가해주면 코일에 직류 전류가 흐르고 플레밍의 왼손 법칙에 따라 시계 방향으로 회전하게 된다. 전기자가 회전하여도 정류자와 브러시의 작용에 의하여 각 자극 밑에 있는 도체는 언제나 같은 방향의 전류가 흐르므로 전기자는 계속 같은 방향으로 회전한다. |
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2. 직류 발전기
가. 직류 발전기의 구성 요소 직류 발전기는 전기자, 계자, 정류자, 브러시 및 계철로 구성되어 있다. 1) 전기자(armature): 자속을 끊어 기전력 유기 가) 전기자 철심: 두께 0.35∼0.5[㎜]의 규소강판 성층, 규소함유량 1∼1.4[%] 나) 규소 강판: 히스테리시스 손실 감소 다) 성층 이유: 와류손 감소 2) 계자(field magnet): 자속 발생 3) 정류자(commutator): 교류를 직류로 변환 4) 브러시(brush): 정류자 면에 접촉하여 전기자 권선과 외부 회로를 연결 5) 계철(yoke): 계자 자속의 통로 나. 전기자 권선법 1) 전기자 권선법 환상권 2) 현재 직류기에서 많아 사용되는 전기자 권선법은 고상권, 폐로권, 이층권, 파권, 중권이다. 3) 중권과 파권의 비교 (단, m : 다중도)
라. 전기자 반작용(armature reaction) 1) 전기자 반작용이란? 전기자 권선의 자속이 계자 권선의 자속에 영향을 주는 작용
3) 전기자 반작용의 영향 가) 발전기 ① 주자속이 감소한다. → 유기기전력의 감소 ② 중성축이 이동한다. → 회전 방향 ③ 정류자편과 브러시 사이에 불꽃이 발생한다. → 정류 불량 나) 전동기 ① 주자속이 감소한다. → 토크 감소, 속도 증가 ② 중성축이 이동한다. → 회전 방향과 반대 ③ 정류자편과 브러시 사이에 불꽃이 발생한다. → 정류 불량
4) 전기자 반작용의 방지 대책 보상권선(compensating winding) 및 보극(interpole)을 설치한다. 가) 보상권선 → 대부분의 전기자 반작용을 상쇄시킨다. 나) 보극 → 중성축 부근의 전기자 반작용을 상쇄시킨다 3. 직류 전동기 가. 직류 전동기 이론
나. 직류 전동기의 종류 및 특성 1) 종류
2) 속도 특성
※ 운전 중 위험한 상태: 운전 중 무부하가 되면 I =0가 되어 N =∞ ※ 정격전압이 인가된 상태에서 무부하가 되면 위험 ※ 직류전동기 중에서 부하 증감에 따라 속도변화가 가장 크다.
다. 직류 전동기의 운전 1) 속도 제어법
4. 직류기의 효율 가. 효율
나. 최대 효율 조건 1) 무부하손(고정손) = 부하손(가변손) 제Ⅱ장. 변압기 변압기란 교류 전력을 공급받아 발전소의 전압을 송전선의 전압으로 높이거나 송전선의 전압을 도시 배전이나 소비 기구의 안전을 위하여 낮은 전압으로 낮추는 목적으로 사용되며 통신 계통에서는 두 회로의 임피이던스 정합을 위해 사용된다 1820년에 외르스테드(oersted)는 전류가 흐르는 도선에 의하여 자기가 만들어진다는 사실을 발견하였으며, 이에 따라 자기로부터 전기를 만들 수 있다는 가능성이 제기되면서 변압기의 역사가 시작되었다. 1831년 페러데이(faraday)는 코일에 단순히 자석을 넣었다 뺐다 함으로써 도선에 전류가 흐를 수 있다는 사실을 발견하였다. 이와 같이 코일내의 자기장을 변화시켜 전압이 유도되는 현상을 "전자 유도 법칙(電磁誘導法則)"이라고 한다. 이 법칙에 의해 변압기가 만들어지게 되었다. 페러데이 법칙에서 발생된 유도 기전력의 방향에 대해서는 렌쯔가 '유도 기전력의 방향은 원래의 자계의 변화를 방해하는 방향으로 발생한다'는 법칙을 밝혀냈다. 이것을 렌쯔의 법칙이라고 한다. 이 법칙에 의해서 코일에 흐르는 유도 전류의 방향을 알 수 있게 되었다. N 번 감은 코일에 dt 초 동안에 dφ의 자기장 변화가 있을 때의 유기되는 유도 기전력 e 는 다음과 같다.
1. 변압기의 구조 가. 철심 두께 0.3∼0.6㎜, 규소함유량 4∼4.5% 규소강판 성층 나. 권선 직권(direct wound), 형권(form wound) 다. 형식
라. 부싱 권선 단자를 케이스 외함으로 인출하기 위한 장치 마. 변압기유 1) 변압기유의 구비조건 가) 점도가 작고 비열이 커서 냉각효과가 클 것 나) 절연내력이 클 것 다) 인화점이 높고, 응고점이 낮을 것 라) 고온에서 석출물에 생기지 말 것 마) 절연물과 화학작용이 없을 것 2) 변압기유의 열화 가) 원인 변압기의 호흡작용 나) 방지책 콘서베이터 (질소봉입) 3) 권선의 누설리액턴스를 줄이는 효과적인 방법 : 권선을 분할 조립한다. 2. 변압기의 원리
가. 유기 기전력
나. 권수비
* 권수비에서 알 수 있듯이 변압기는 전압과 전류의 크기만 변화시킬뿐 전체 전력의 크기는 변화시키지 않는다. 3. 변압기의 등가회로 가. 실제 변압기의 등가회로
나. 간이 등가 회로
실제의 변압기는 1차 임피던스에 의한 전압 강하가 공급 전압에 비하여 매우 작고, 여자전류도 1차 전류에 비하여 매우 작으므로 여자 어드미턴스를 전원쪽으로 옮겨도 거의 오차가 없다. 이와 같이 변환한 등가 회로를 간이 등가 회로라고 한다. (변압기의 특성 계산시 2차를 1차로 환산한 간이등가회로를 많이 이용한다.) 다. 2차측에서 1차측으로 환산한 등가 회로
라. 1차측에서 2차측으로 환산한 등가 회로
4. 변압기의 특성 가. 임피던스 전압
나. 임피던스 와트(watt)
다. 백분율 전압강하
5. 변압기의 효율 가. 전부하 효율
나. 1/m 부하시 효율
다. 최대 효율
라. 전일 효율
6. 변압기의 결선 가. 변압기의 극성 1차, 2차 단자 간에 나타나는 유기 기전력의 상대적 방향을 나타내는 것으로, 우리 나라는 감극성이 표준이다. 나. 3상 결선
4) Y결선과 Δ결선의 특징
7. 변압기의 병렬 운전 가. 병렬 운전 조건 1) 정격 전압과 권수비가 같을 것. (순환 전류가 흘러 권선이 가열 ) 2) 극성이 같을 것.(큰순환 전류가 흘러 권선이 소손) 3) 내부 저항과 누설 리액턴스 비가 같을 것.(위상차가 생겨 동손이 증가) 4) % 저항 강하와 % 리액턴스 강하의 비가 같을 것.(부하분담의 균형을 이룰 수 없다.) 5) 상회전의 방향이 일치할 것. 6) 각변위가 같을 것. 7) 부하 분담시 용량에 비례하고 퍼센트 임피던스 강하에 반비례할 것.
나. 3상 변압기의 병렬 운전
8. 특수 변압기 가. 3상 변압기 변압기 1대로 3상 변압을 할 수 있는 변압기를 3상 변압기라 한다. 1) 3상 변압기의 장점 가) 사용 철량이 적고 철손도 적어지므로 효율이 좋다. 나) 사용 재료가 경감되고, 중량이 감소되며, 값이 싸지고 설치 면적이 절약된다. 다) Y 또는 △의 고전압 결선을 외함 내에서 하므로 부싱이 절약된다. 2) 3상 변압기의 단점 가) 1상에만 고장이 생겨도 변압기를 사용할 수 없게 된다. 나) 설치 뱅크가 적을 때는 예비기의 설치 비용이 크다. 나. 3권선 변압기
다. 단권 변압기 ( tap 절환 변압기) 9. 변압기의 시험법 가. 정수(定數)측정 시험 (등가회로 작성시험) 1) 권선의 저항측정 시험 2) 단락시험 → 임피던스전압, 임피던스와트(동손)측정 3) 무부하시험 → 여자전류 나. 절연내력시험 1) 가압시험 2) 유도시험 3) 충격전압시험 다. 층간절연내력 시험 1단 접지 충격전압 시험 라. 변압기 내부고장 보호 차동 계전기, 비율차동 계전기, 브흐홀쯔 계전기, 전류차동 계전기 마. 변압기 건조상태, 열화정도측정 tanδ 법 제Ⅲ장. 동기기
1. 동기발전기의 원리 가. 교류 기전력의 발생 동기 발전기의 회전자에는 직류 혹은 영구자석에 의해서 발생되는 자속이 존재하고, 이것이 원동기와 연결되어 회전하면서 고정자에 권선되어 있는 3상의 권선과 교차하여 전압을 유기하게 되며, 각 상은 120 도의 위상차를 갖는다. 교류 발전기로 기전력을 유도하는 방법에는 회전전기자법과 회전계자법이 있다. 다음 그림과 같이 회전 전기자법은 고정자 권선에 직류 전류를 흐르게 하여 자기장을 만들고 회전자 도체를 회전시키면 회전자 도체에 기전력이 유도된다. 이 유도 기전력은 슬립링과 브러시를 통하여 외부 회로에 접속된다. 회전계자법은 회전자 도체에 슬립링과 브러시를 통하여 직류 전류를 흐르게 하고 회전자 도체를 회전시키면 고정자 권선에는 교류 기전력이 유도된다. 이 유도 기전력은 외부 회로에 직접 접속된다. 이 두가지 방식 중에서 교류 발전기들은 회전계자법에 의한 것이 대부분이다.
나. 3상 교류 기전력의 발생 3상 교류 기전력을 얻기 위해서는 다음 그림(a)와 같이 고정자 철심 홈에 전기자 권선 3개를 각각 120°각도가 되도록 배치하고 그림(b)와 같이 권선을 Y결선으로 한 다음 회전자를 회전시킨다. 이 때, 세 개의 단자 a, b, c 에는 그림(c)와 같은 3상 교류 기전력이 발생한다. 그림(d)는 이것을 벡터도로 나타낸 것이다.
1) 동기발전기를 회전계자형으로 하는 이유 가) 기계적인 측면 ① 계자가 전기자보다 기계적으로 튼튼하다. ② 원동기 측에서 볼 때 구조가 간단한 계자를 회전시키는 것이 유리하다. 나) 전기적인 측면 ① 계자는 소요전력이 작다. 절연이 용이하다. ② 계자는 단상이고 전기자는 3상으로 복잡하다. ③ 계자는 저압(100∼125[V] 또는 200∼250[V])이고 전기자는 고압이다. 2) 동기 발전기를 Y결선으로 하는 이유 가) 중성점을 접지할 수 있어 이상전압의 대책이 용이하다. 나) 코일의 유기전압이 1 /√3 배 감소하므로 절연이 용이하다. 다) 순환전류가 흐르지 않아 열이 발생하지 않는다 라) 선간전압에 제3고조파가 발생하지 않는다. 2. 동기발전기의 구조 동기기의 외형과 회전자 구조는 아래 그림과 같다.
가. 구성 요소 1) 계자: 자속을 만들어 주는 부분 2) 전기자: 계자에서 발생된 자속을 끊어 기전력을 유기하는 부분 3) 여자기: 계자에 직류 전원을 인가해 주는 기기 4) 냉각장치: 수냉식, 공냉식, 수소냉각방식
나. 전기자 권선 1) 분포권 매극, 매상의 코일을 1슬롯에 집중하여 감는 권선 방법을 집중권이라 하고, 2개 이상의 슬롯에 분산하여 감는 권선 방법을 분포권이라 한다. 가) 분포권 계수
나) 분포권의 장점 ① 기전력의 고조파가 감소하여 파형이 좋아진다. ② 권선의 누설 리액턴스가 감소한다. ③ 전기가 권선에 의한 열을 고르게 분포시켜 과열을 방지한다. 2) 단절권 : 권선 피치가 자극 피치와 같은 권선법, 즉 코일변이 전기각 180 의 슬롯에 감긴 것을 전절권이라 하고, 자극 피치보다 작게 감긴 것을 단절권이라고 한다. 가) 단절권 계수
나) 단절권의 장점 ① 고조파를 제거하여 기전력의 파형을 좋게 한다. ② 코일 끝 부분의 길이가 단축되어 기계 전체의 길이가 축소된다. ③구리의 양이 적게 든다. 3) 권선 계수
3. 동기발전기의 종류 가. 원동기에 의한 분류 1) 엔진 발전기: 4극∼36극, 디젤 내연기관, 100∼1000[RPM], 소용량 2) 수차 발전기: 6극∼20극, 100∼150[RPM] 또는 1000∼1200[RPM] 3) 터빈 발전기: 2극∼4극, 1800∼3600[RPM], 고속기, 대용량, 수소냉각방식 나. 회전자 형태에 의한 분류 1) 돌극기(철극형): 저속기, 직축형 2) 비돌극기(원통형): 고속기, 횡축형 다. 상수(相數)에 의한 분류 단상, 다상(보통 3상) 4. 동기발전기 이론 가. 코일의 1상당 유기 기전력
나. 동기속도
다. 극수와 주파수와의 관계
라. 동기 발전기의 특성
5. 동기발전기의 병렬 운전 가. 병렬 운전의 조건 1) 기전력의 크기가 같을 것 2) 기전력의 위상이 같을 것 3) 기전력의 주파수가 같을 것 4) 기전력의 파형이 같을 것 5) 상회전 방향이 같을 것 나. 병렬 운전의 제 현상
6. 동기전동기 가. 동기전동기의 원리 1) 회전 속도 3) 특성 가) 항상 동기속도로 회전한다. 나) 동기속도 이외의 속도에서는 토크를 낼 수 없다. 다) 기동토크가 없다. → 기동장치 필요 → 고가 라) 역률 1로 운전할 수 있으며 역률을 조정할 수 있다. → 동기조상기 원리 마) 저속도 대용량의 전동기 대형송풍기, 압축기, 압연기, 분쇄기 나. 동기전동기의 이론
2) 동기전동기의 기동법 가) 자기기동법 - 난조 방지용인 제동 권선을 기동 권선으로 하여 기동 토크를 얻는다. 나) 기동전동기법 주 전동기에 직렬로 유도전동기, 유도동기전동기, 직류전동기 등을 기동용으로 연결. (주 전동기의 극수보다 2극만큼 작은 것이 바람직함) 다) 초동기전동기법 회전계자형의 동기전동기에 고정자인 전기자 부분도 회전자의 주위를 회전할 수 있도록 2중 베어링의 구조를 갖는다. 다. 동기 전동기 특성 1) 동기전동기의 운전 특성 가) 기동 토크는 0이다. 나) 인입 토크 : 동기 속도에 95[%] 에 들어가는 토크를 말함 다) 탈출 토크 : 정격전압으로 운전하고 있을 때, 그 여자를 일정하게 유지하고 서서히 부하를 증가하는 경우, 전동기에 부하할 수 있는 최대 토크 2) 동기전동기의 입력, 출력 및 토크 가) 1상의 출력: 나) 토크: 3) V 곡선 공급전압과 부하전류를 일정하게 유지하면서 여자전류(계자전류)를 변화시키면 전기자 전류와 역률이 변한다. ※ 난조 : 부하의 급격한 변화에 적응하지 못하여 발생하는 동기전동기의 속도 변화 ※ 난조 방지 대책: 제동권선 설치 4) 동기 조상기 동기 전동기는 역률을 조절할 수 있는 특징이 있다.(V 곡선) 이와 같은 특성을 이용하여 송전선의 전압 조정 및 역률 개선에 사용한 것이 동기 조상기이다. 가) 무부하 운전 중인 동기 전동기를 과여자 운전하면 콘덴서로 작용한다. 나) 무부하 운전 중인 동기 전동기를 부족여자 운전하면 리액터로 작용한다. 제Ⅳ장. 유도기 1. 3상 유도 전동기 가. 회전 원리
▶ Arago's disk(1820년 D.F. Arago 실험 장치) 위 그림과 같이 알루미늄 원판을 수평축으로 붙이고 자유롭게 회전할 수 있도록 한다. 이 원판에 자석을 놓고 자석을 시계 방향으로 회전 운동시키면 원판은 자석이 만드는 자계의 자속을 끊으므로 원판 안에 기전력이 유기되고 이 기전력에 의해 맴돌이 전류가 흐른다. 이 전류는 자계 안에 있으므로 힘이 발생하며, 이 힘에 의하여 원판이 회전한다. 원판의 회전 속도는 자속을 끊을 수 있어야 하므로 자석의 이동 속도보다는 느려야 한다. 만일 같은 속도로 회전하면 원판이 자속을 끊지 못하므로 기전력이 유기되지 않아 전류가 흐르지 않고 회전력이 발생하지 않는다.(원통 도체에도 같은 현상이 생김) 유도 전동기는 이와 같은 원리를 이용한 기기인데 실제의 3상 유도전동기는 자석을 회전시키는 대신에 고정된 3상 권선에 3상 교류를 흘렸을 때 발생하는 회전 자기장을 이용한다. (1886년 Nicola sesla가 처음 이용) ※ 원리: 플레밍의 왼손 법칙
나. 3상 회전 자기장
각 상에 흐르는 전류는 다음과 같다.
3상 유도 전동기의 계자(1차)는 고정자이고, 회전자(2차)는 전기자로 구성되어 있다. 가. 고정자(stator) 1) 고정자 프레임(stator frame): 주철 또는 압연강판 2) 고정자 철심(ststor core): 규소1∼1.4[%], 두께 0.35∼0.5[mm] 규소강판(성층) 3) 고정자 권선(stator coil): 2층권 나. 회전자(rotor) 1) 회전자 철심(rotor core): 규소강판(성층) 2) 종류: 농형 회전자, 권선형 회전자 다. 공극(air gap) 고정자와 회전자 사이의 간격 3. 3상 유도 전동기 이론 가. 회전속도와 슬립
나. 2차 주파수
다. 2차 유기기전력
라. 2차 전류와 2차 역률
마. 1차 전류
바. 2차 입력과 2차 출력과의 관계 1) 유도 전동기 회로
사. 유도전동기의 등가회로
아. 효율 및 손실
가. 속도 특성 3상 유도 전동기는 무부하 속도와 정격 속도의 차가 다른 전동기에 비하여 매우 적어서 직류 분권 전동기와 같은 정속도(constant speed)의 특성을 가진다. 나. 토크 특성
다. 속도토크 특성
라. 비례 추이
가. 기동 전류
나. 기동 토크
다. 농형 유도 전동기의 기동법 1) 전전압 기동법 2) Y-△ 기동법 3) 변연장 △ 결선법 4) 기동 보상기법 5) 콘도르파법 라. 권선형 유도 전동기의 기동법 1) 기동 저항기법 2) 게르게스법 6. 속도 제어법 가. 주파수 변환법 1) 회전수를 연속적으로 제어할 수 있으나, 가변주파수 발전기, 주파수 변환기 등이 필요하고, 주파수 변화에 따라 공급 전압을 변화시킬 필요가 있다. 2) Φ 는 f 에 반비례하고, 자속이 증가하면 철손의 증가로 소손될 염려가 있다. 따라서, 주파수의 변화에 대하여 자속의 변화를 일정하도록 하기 위해 전원 전압을 주파수에 반비례해서 변화시키는 것이 보통이다. 나. 극수 변환법 1) 효율이 좋다. 2) 속도를 자주 바꾸거나 단계적으로 속도를 변경하기 위한 부하에 사용한다. 다. 2차 저항법 1) 2차 회로의 저항을 변화하여 슬립 s를 바꾸는 방법으로 비례추이의 원리를 이용한 것이다. 2) 취급이 간단하며, 연속적으로 속도 조정을 할 수 있다. 3) 속도가 지나치게 떨어지면 효율이 현저히 떨어진다. 라. 2차 여자법 2차 회전자에 7. 단상 유도 전동기 가. 종류 1) 분상 기동형 단상 전동기에 보조 권선(기동 권선)을 설치하여 단상 전원에 주권선(운동 권선)과 보조 권선에 위상이 다른 전류를 흘려서 불평형 2상 전동기로서 기동하는 방법이다. 2) 반발 기동형 기동시에 반발 전동기로서 기동하고 기동 후 원심력 개폐기로 정류자를 자동적으로 단락하여 농형 회전자로 하는 방법이다. 3) 반발 유도형 농형 권선과 반발형 전동기 권선을 가져서 운전 중 그대로 사용한다. 반발기동형과 비교하면 기동 토크는 반발 유도형이 작지만, 최대 토크는 크고 부하에 의한 속도의 변화는 반발 기동형보다 크다. 4) 셰이딩 코일형 돌극형 자극의 고정자와 농형 회전자로 구성된 전동기로 자극에 슬롯을 만들어서 단락된 셰이딩 코일을 끼워 넣은 것이다. 구조가 간단하나 기동 토크가 매우 작고 효율과 역률이 떨어지며, 회전 방향을 바꿀 수 없는 큰 결점이 있다. 5) 모노사이클릭 기동형 3상 농형 전동기의 3상 권선에 저항과 리액턴스를 적당하게 접속하고 단상 전원에 접속하여 불평형 3상 교류를 각 권선에 흘려서 기동하는 방법이다. 나. 단상 유도 전동기의 용도
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와 같은 주파수 전압(슬립 주파수 전압)을 가하여 속도를 제어하는 방법으로 크레이머 방식과 세르비우스 방식이 있다.