· · 2020-06-082. 전기자권선법과유기기전력 전기자권선법 • 전기자권선법의분류 ①환상권과고상권- 환상권: 환상철심에권선을안팎

원패스 전기기기

01. 직류기 1

Chapter 1. 직류발전기의구조와원리

1. 직류발전기의 구조와 원리

직류 발전기의 구조

1) 계자

• 철심과 코일로 구성

• 외부에서 코일에 전류를 흘려주었을 때 자속을 만드는 부분

• 직류기에서 계자는 고정자

※ 여자 : 계자코일에 전류를 흘려 주는 상태

를 계자전류 또는 여자전류라고 함

계철, 자극철심, 계자권선으로 이루어짐

1



2) 전기자(Amature)

• 전기자 권선과 철심으로 구성

• 계자에서 발생된 주자속을 끊어서 기전력을 유도하는 부분

• 전기자에 유도된 기전력은 교류

• 전기자 철심은 철손을 적게 하기 위해 규소가 함유된

규소강판을 사용 → 히스테리시스손을 작게 함

0.35~0.5[㎜]두께로 여러 장 겹쳐 성층 → 와류손 감소

1



2) 전기자(Amature)

1

• 전기자 권선은 코일단과 코일변으로 구성

• 주자속을 끊어서 기전력을 유도하는 부분인 ‘코일변’

한 개의 코일에는 코일변 두 개로 구성되어 있으며,

한 개의 코일변을 한 개의 도체라고 함



3) 정류자(Commutator)

• 전기자에 유도된 기전력 교류를 직류로 변화시켜 주는 부분

• 브러시와 함께 정류작용을 함

1



4) 브러시(Brush)

• 정류자에 접촉하여 정류자와 함께 정류작용을 함

• 변환된 직류를 외부로 유출하는 부분으로

① 적당한 접촉저항을 가져야 함

② 정류자면을 손상시키지 않도록 연마성이 커야 함

③ 기계적으로 튼튼하게 만들어져야 함

1



4) 브러시(Brush)

• 브러시의 종류

① 탄소질 브러시(Carbon brush)

: 피치 코크스를 원료로, 질이 치밀하고 단단하며

연마성이 있다. 저항률, 마찰계수가 다같이 크고

허용전류는 작다. 소형기, 저속기 등에 많이 사용

1




② 흑연질 브러시(Graphite brush)

: 천연 흑연을 원료로 함, 질이 부드러우며 저항률,

접촉저항이 작아 허용전류가 큼

중위 이하의 전압으로 고속 또는 대전류기에 많이 사용

1

4) 브러시(Brush)




③ 전기 흑연질 브러시(Electro graphite brush)

: 피치 코크스, 카본 블록 등을 전기로에 의해 열처리 하여

흑연화한 것을 원료로 함

불순물의 함유량이 적고 접촉저항이 큼

정류 능력이 높아 브러시로서 가장 우수하며,

각종 기계에 널리 사용

1

4) 브러시(Brush)




④ 금속 흑연질 브러시(Metallic graphite brush)

: 금속(주로 동)의 고운 가루와 흑연 분말과 혼합한 것을

원료로 함

(금속 50[%] ~ 90[%]정도)

저항률과 접촉 저항이 매우 낮고 허용전류는 큼

동 함유량에 따라 60[V]이하 저전압, 대전류기기에 사용

1

4) 브러시(Brush)


예제 01

전기기계에 있어서 히스테리시스손을 감소시키기

위하여 어떻게 하는 것이 좋은가?

정답 : 나. 규소 강판 사용

직류 발전기의 구조1

가. 성층 철심 사용 나. 규소 강판 사용

다. 보극 설치 라. 보상 권선 설치


예제 01

전기기계에 있어서 히스테리시스손을 감소시키기

위하여 어떻게 하는 것이 좋은가?

정답 : 히스테리시스손을 감소시키기 위해서는

규소 강판을 사용하는 것이 좋다.

직류 발전기의 구조1

가. 성층 철심 사용 나. 규소 강판 사용

다. 보극 설치 라. 보상 권선 설치


직류 발전기의 원리

• 도체에 기전력을 유기시키려면 자계 안에 도체를 자계와

직각으로 놓고 이 사이에 상대적 운동을 시키면 됨

= 자계 안에서 도체를 운동시키거나, 운동 중인 자계가

정지하고 있는 도체와 쇄교

• 도체 A,B를 자극 N,S에 의하여 만들어지는 자계 안에서

일정 속도로 돌리면 도체에는 플레밍의 오른손 법칙에

따라 화살표 방향의 기전력이 유기됨

그림의 도체 A나 B에 유기되는 기전력의 순시치를

e[V]라 하면,

2


• 코일이 그림의 위치에서 180˚ 회전하면

브러시 에 나타나는 전압의 극성은 반대가 되고,

: 도체가 놓인 장소의 자속 밀도 [wb/㎡]

: 도체의 유효 길이 [m]

: 도체의 회전 속도 [m/s]가 된다.

2 직류 발전기의 원리



• 360˚ 회전 즉, 1회전 하였을 때는 그림과 같이

1[㎐]의 교번 기전력이 발생

: 도체가 놓인 장소의 자속 밀도 [wb/㎡]

: 도체의 유효 길이 [m]

: 도체의 회전 속도 [m/s]가 된다.

2



• 위의 그림에서 대신 서로 절연된 2개의 금속편

를 원통으로 조립, 각 금속편에 코일 양단을 연결

브러시 은 코일의 회전에 관계없이 항상 위쪽(S극 밑에

오는) 도체에, 또 브러시 는 항상 아래쪽(N극 밑에 오는)

도체에 접촉되어 외부전기회로에서 보면 브러시 는

직류 전원의 정·부단자가 됨

2



• 즉 의 극성은 일정 → 브러시 사이에는 그림과 같이

일정방향의 전압인 직류 전압이 발생

2



• 외부회로에는 방향이 바뀌지 않는 직류가 흐르게 됨

⇒ 직류발전기, 2개 금속편 를 정류자편,

로 된 원통환을 정류자라 함

• 위 그림과 같이 코일이 단 1개인 간단한 직류발전기에서는

전압의 방향은 변하지 않지만, 전압의 크기는 아래 그림과

같이 0에서 최대치 사이를 맥동함

2



• 이러한 맥동의 정도(맥동률)를 적게 하고, 시간에 따라서

변하지 않는 직류 전압을 얻으려면 왼쪽의 그림과 같이

코일의 수를 많이 하여 원주상에 분포시켜 놓고 서로

위상이 다른 전압이 합하여지도록 접속하면 오른쪽 그림과

같이 맥동이 적은 전압을 얻을 수 있음

2



• 코일의 수를 더욱 증가시키면, 합성전압의 맥동은 점차

적어지고 실용상으로 완전한 직류를 얻게 됨

• 실용되고 있는 직류 발전기에 있어서 많은 코일을

전기자철심 위에 배치하고, 정류자편 수도 많게 하여

거의 맥동이 없는 일정한 직류 전압이 발생하게 함

• 전기자 권선 : 전기자 철심 위에 감겨져 있는 많은 코일

2

Chapter 2.전기자권선법과유기기전력

2. 전기자 권선법과 유기기전력

전기자 권선법

• 전기자 권선을 접속하는 방법에는

① 고전압을 필요로 하는 경우

② 저전압 대전류를 필요로 하는 경우 등

• 전기자 권선법의 분류

전기자권선

환상권

고상권

개로권

폐로권

단층권

2층권

중권

파권

1


전기자 권선법


① 환상권과 고상권

- 환상권 : 환상 철심에 권선을 안팎으로 감은 것

- 고상권 : 원통형 철심의 표면에서만 권선이 이동 하도록 만든 것

- 환상권의 경우 철심 내부에 배치된 부분은

자속을 끊지 못하기 때문에 무효부분이 됨

- 고상권의 경우 전 도체가 다 자속을 끊으므로

환상권보다 효율이 커짐

- 환상 권선은 설명이나, 기타의 경우에만, 실제는 고상권선을 이용

1


전기자 권선법


② 폐로권과 개로권

- 폐로권 : 그림에 표시된 권선은 권선의 어떤 점에서

출발해도 권선도체를 따라가면 출발점에 되돌아와

닫혀지고 폐회로가 됨

- 개로권 : 몇 개의 개로 된 독립권선을 철심에 감은 것으로

이것이 외부 회로에 접속되어야만 폐회로가 되는 권선

- 직류기의 권선은 전부 폐로권임

1


전기자 권선법


③ 단층권과 2층권

- 고상권의 경우 한 도체와 접속된 다음 도체와 대략 1자극

간격만큼 떨어짐 → 한 쌍의 도체를 코일,

각 도체를 각각 코일변이라 함

- 코일변을 슬롯에 넣는 방법에 따라 나누어 짐

- 단층권은 슬롯 1개에 코일변 1개만을,

2층권은 슬롯 1개에 상하 2층으로 코일변을 넣는 방법

1


전기자 권선법


④ 중권과 파권

- 그림에서 : 뒤피치, : 앞피치,

y : 합성피치라 하고, 코일변수로 표시

: 정류자피치라 하고, 정류자편수로 표시

중권의 합성피치 :

파권의 합성피치 :

1


전기자 권선법



- 중권 : 계속 겹쳐서 권선되기 때문에 (+)단자에

묶은 회로와 (-)단자에 묶은 단자에 묶은 회로가

독립적으로 존속 → 병렬회로 수 = 극수

중권은 대전류, 저전압 계통에 적당

1


전기자 권선법



- 파권 : 권선이 (+)단자에서 시작되면 (+)단자에서,

(-)단자에서 시작되면 (-)단자에서 끝나므로

언제나 병렬회로 수는 극 수에 관계없이 2개

소전류, 고전압 계통에 적당

1


전기자 권선법



- 공극이 균일하지 않거나 계자의 자속분포가 일정치 않을 때

각 병렬회로의 유기기전력이 불평형이 되는 경우가 있음

→ 순환전류가 브러시를 통해 흐르고 정류가 잘 되지 않음

→ 그림과 같이 등전위가 되는 점을 저항이 매우 적은

도선으로 연결하면, 순환 전류 전부 이 도선을 통하게 됨

: 균압환

1


전기자 권선법



- 균압환

파권으로 하면, 각 회로의 도체는 모든 극의 영향

아래 있으므로 기전력은 각 회로가 모두 같기 때문에

균압환이 필요없음

1


전기자 권선법



- 발전기에 많이 이용되고 있는 권선법 고상권, 폐로권, 이층권, 중권

항목 단중 중권 단중 파권

a(병렬 회로수) p 2

b(브러시수) p 2 혹은 p

균 압 환 필요 불필요

용 도 대전류, 저전압 소전류, 고전압

1


전기자 권선법



- 중권과 파권의 차이점

ⅰ) 다중도가 m중 일 때

다중파권 : a=2m, 다중중권 : a=mp

ⅱ) 전기자 전전류가 일 때 각각의 직렬회로에 흐르는 전류

파권 : , 중권 :

1


유기기전력(E)

• 2극 직류 발전기 내에 그림과 같이 한 개의 코일을

놓았을 때 코일변(도체수) 한 개에 유기되는 기전력은?

전기자 권선의 주변속도를 v[m/s], 전기자를 통과하는

자속밀도를 B[wb/㎡], 코일변의 유효길이를 [m]라 하면

전기자 도체 한 개의 유기되는 기전력은

⇒ 전기자 도체가 계자와 90˚의 위치에 왔을 때

자속을 가장 많이 끊게 되어 유기기전력이 최대가 됨

2


유기기전력(E)

• 그림과 같이 θ-90˚에서 유기기 전력은

2


유기기전력(E)

• 또한, 전기자 직경을 D[m], 회전수를 n[rps]라 하면,

주변속도는 [m/s]이므로 [V]

매극당 자속을 =BA[wb]라 하면 극수 p인 직류발전기의

총 자속은 [wb]가 됨 ( : 평균 자속밀도)

전기자 면적은 [㎡]가 되므로

도체 한 개에 유기되는 기전력

: [V]

2


유기기전력(E)

① 전기자에 유도되는 전체 기전력

총 도체 수 : z, 병렬 회로 수 : a,

→

= 직류 발전기의 유기기전력은 자속과 회전 수에 비례

전체 유기기전력 , 기계상수 :

② 만약 회전수가 N[rpm]일 때의 유기기전력은

2


예제 01

정답 : 120[V]

직류 분권 발전기에서 극수 6, 전기자 총도체수가

400, 매극당 자속이 0.01[wb]이고 회전수가

600[rpm]일 때 전기자에 유기되는 기전력은

얼마인가? (단, 전기자 권선은 파권이다.)

유기기전력(E)2


예제 01

해설 : p=6, a=2, z=400, ∅=0,01, N=600이므로

직류 분권 발전기에서 극수 6, 전기자 총도체수가

400, 매극당 자속이 0.01[wb]이고 회전수가

600[rpm]일 때 전기자에 유기되는 기전력은

얼마인가? (단, 전기자 권선은 파권이다.)

유기기전력(E)2


예제 02

정답 : 488.3[V]

4극의 직류 발전기가 있다. 축방향 길이가 0.6[m],

전기자 직경 0.4[m], 전기자 코일수가 24, 한 개의

코일권수가 18, 권선법은 단중중권, 공극의 평균

자속밀도 0.1[wb/㎡], 1800[rpm]일 때

유기기전력은 몇 [V]인가?

유기기전력(E)2


예제 02

해설 : 총자속

중권이므로 a=4, 총 도체 수 z=24×2×18

전기자면적




자속밀도 0.1[wb/㎡], 1800[rpm]일 때


유기기전력(E)2


예제 02

해설 : 그러므로 유기기전력은




자속밀도 0.1[wb/㎡], 1800[rpm]일 때


유기기전력(E)2

Chapter 3. 전기자반작용

3. 전기자 반작용

전기자 반작용

• 전기자에 흐르는 전류에 의해서 발생된 전기자 자속이

계자의 자속에 영향을 주는 현상

• 그림 (a)는 전기자를 고정시키고 계자에만 전류를

흘려주었을 때 계자의 자속이 일정하게 분포

• 그림 (b)는 계자의 코일에는 전류를 흘리지 않고

전기자 코일에만 전류를 흘려주었을 때 전기자 자속의 분포

◀(a) 계자 기자력만에 의해 생기는 자속의 분포도

(b) 전기자 기자력만에 의해 생기는 자속의 분포도▶

1


전기자 반작용

• 그림 (c)는 계자의 자속이 분포된 상태에서 전기자 코일이

계자의 자속을 끊었을 때 전기자 코일에 기전력이 유기되면

전류가 흐르게 되어 전기자 자속이 계자의 자속을

찌그러뜨리는 현상 = 편자 작용

(c) 계자 기자력 및 전기자기력에 의해 생기는 자속의 분포도

1


전기자 반작용

• 편자 작용에 의해 전기자 중성축 ab가 a만큼 cd를

중심으로 이동 → 그림 (d)와 같이 전기자 코일의

전류 분포가 중성축 cd를 중심으로 양분

브러시의 이동에 따라 전기자 코일에 흐르는 전류는

2방향의 전류가 분포

→ +방향 전류 : 중성축이 cd로

-방향 전류 : 중성축이 ef로 이동

(d) 전기자 반작용에 의해 기하학적 중심축(ab)이 이동하는 경우

1


전기자 반작용

• 그림 (e)의 2a의 전류에 의한 자속은 계자의 자속과

정반대의 자속이 분포되어 계자의 자속을 감소시키는

감자작용이 일어남

• 이때의 기자력을 감자기자력이라 함

(e) 감자 자화 작용

1


전기자 반작용

• 그림 (f)는 군의 자속이 계자의 주자속과

교차하게 되어 교차자화작용(편자작용)을 일으키며,

이때 이 기자력을 교차기자력이라 함

(f) 교차 자화작용

1


전기자 반작용

1) 전기자 반작용에 의한 감자기전력과 교차기전력

① 매극 당 감자기자력

② 매극 당 교차기자력

p : 극 수 , z : 총 도체 수

: 직렬회로의 전류

a : 브러시 이동각

: 매극 당 권수

1


예제 01

정답 : 1388[AT]

도체수 500, 부하전류 200[A], 극수 4, 전기자 병렬

회로수 2인 직류 발전기의 매 극당 감자기자력 [AT]은

얼마인가? 단, α=20˚

전기자 반작용1


예제 01

해설 :

도체수 500, 부하전류 200[A], 극수 4, 전기자 병렬

회로수 2인 직류 발전기의 매 극당 감자기자력 [AT]은

얼마인가? 단, α=20˚

전기자 반작용1


전기자 반작용

2) 전기자 반작용의 대책

① 브러시 이동

- 발전기의 경우 브러시를 중성축에서 회전 방향으로 앞서게 함

→ 정류를 받는 코일이 다음 주자극의 자속을 끊음

→ 양호한 정류를 얻을 수 있음

⇒ 보극이 없는 경우 브러시를 적당히 앞서게 하는 것이 유효

- 전동기의 경우 브러시를 회전방향과 반대방향으로 이동

- 부하전류가 증가하면 정류 전압도 증가해야 함

→ 부하전류 변화에 따라 브러시 위치를 바꿔야 함

1


전기자 반작용


② 보상권선

- 보상권선 보극을 장치해 정류를 양호하게 할 수 있으나

전기자 반작용에 의한 주자극 아래 자속 분포의 비틀림을

제거할 수 없음

→ 정류자편 사이의 불꽃이 발생, 아크로 되어

정류자 전면에 퍼질 위험

대용량 기계, 속도조정범위가 넓은 직류 전동기에 주로 발생

1


전기자 반작용


② 보상권선

- 문제해결

: 그림과 같이 주자극의 자극편에 슬롯을 만들고

그 속에 절연된 권선을 넣어 이것에 상대되는

전기자 도체의 전류와 반대 방향의 전류를 통해

전기자 기전력을 소멸시키도록 함

⇒ 보상권선

1


정류

(a) 정류 전 (b) 정류 중 (c) 정류 후

1) 정류

• 교류를 직류로 변환하는 것

• 직류 발전기의 경우, 전기자에 유기된 기전력 교류를

직류로 변환시켜 주는 부분은 정류자와 브러시에 의해

얻을 수 있음

2


정류

1) 정류

• (a) : 브러시가 2번 편에만 접촉 → 정류 발생 없음

(b) : 브러시가 1번 정류자와 2번 정류자를 단락

→ 2번 코일에 흐르는 가 되어

교류가 직류로 변환


2


정류

1) 정류

• (c) : 브러시가 1번 정류자편에만 접촉 → 정류가 끝난 상태

2번 코일 전류 방향이 (-)로 변함

• 정류는 브러시가 편과 편을 단락시키는 시간 동안만 일어남


2


정류

1) 정류

• 그림의 사이에 에서 로 변환

• 정류 변화를 나타내는 곡선을 정류 곡선이라 하며,

이때 시간을 정류주기라고 함

• 정류자 주변속도를 라고 하면,

• 정류주기 는

b : 브러시 두께, δ : 절연물 두께

b - δ : 정류가 일어나는 구간, 브러시가 1번, 2번 정류자편을 단락시키는 구간

: 정류자 주변속도 (πdn), D : 정류자 지름, n : 회전 수

2


정류

2) 정류곡선

① 직선정류(1번 곡선)

- 가장 이상적인 정류곡선

② 부족정류(2번 곡선)

- 정류말기 브러시 후단부에서 전류가 급격히 변화

→ 단락 되는 코일의 인덕턴스에 의해 큰 전압,

브러시의 뒤쪽에서 불꽃이 발생

2


정류

2) 정류곡선

③ 과정류(3번 곡선)

- 정류초기 브러시 전단부에서 전류가

급격히 변화해 높은 전압이 발생

브러시 앞부분에 불꽃이 발생

④ 정현정류(4번 곡선)

- 정현파로 표시

- 전류가 완만해 브러시 전, 후단의 불꽃발생 방지

2


정류

3) 리액턴스 전압

• 코일에는 반드시 인덕턴스 L이 있음

→ 전류 값이 변화하면 렌쯔의 법칙에 의해 전류의 변화를

방해하는 자기유도기전력이 유기됨

• 그림의 2번 곡선과 같은 전류변화는 정류가 끝나는 순간

전류변화가 과격하게 되어 높은 전압이 단락코일에

유기되고 브러시 단부에서 불꽃이 발생함

2


정류

3) 리액턴스 전압

• 정류되고 있는 코일이 전류는 정류주기 사이에

에서 로 변화하므로

단락 코일의 평균자기유도기전력 은

2


정류

4) 정류전압

• 인덕턴스로 인한 전류의 방향변화 방해를 막고

불꽃이 나지 않는 정류를 시키기 위해서는

자기유도기전력을 상쇄해 줄 만한 반대 방향의 기전력을

단락코일에 유기시켜야 함 ⇒ 정류전압

2


정류

4) 정류전압

• 정류 전압 유기를 위해서는

① 브러시를 전기적 중성점보다 더 회전방향으로 옮기고

② 정류코일이 주자속 일부를 끊어 과 반대되는

기전력을 유기

→ 은 부하전류에 비례하므로 부하전류 변화 시

리액턴스 전압도 변화해 상쇄할 만한 정류 전압도

변화시켜야 함 → 정류전압을 유기시키는 자속도 변화

브러시를 그때 그때 이동해야 하는 불편함이 존재

2


정류

4) 정류전압

• 일반적으로 브러시를 기하학적 중성점에 고정시키고,

이 장소에 보극을 두어 정류 전압을 유기시키는 방법

주로 사용

2


정류

5) 저항전류

• 위 그림의 정류는 코일로부터의 전류가 브러시와

정류자편의 접촉면에 비례해서 흐름

→ 큰 접촉저항을 갖기 위해 탄소질의 브러시 사용

• 접촉저항 ↑ : 단락코일에 흐르는 단락전류가 작아지고

정류 곡선이 우측 그림의 직선 정류에 근접 → 정류가 쉬워짐

2


01. 직류기 2

Chapter 1. 직류발전기의종류

1. 직류발전기의 종류

직류 발전기의 종류

• 직류 발전기에는 계자의 전류를 흘려주는 여자 방식에 따라

① 타여자발전기

② 자여자발전기

㉠ 직권 발전기 ㉡ 분권 발전기 ㉢ 복권 발전기

로 분류함

• 가동(화동) 복권발전기

• 차동 복권발전기

1


유기기전력과 단자 전압과의 관계

1) 타여자 발전기

• 계자와 전기자가 별개의 독립적

• 발전기 외부에서 별도의 여자장치가 필요

A : 전기자, F : 계자권선, : 계자전류,

: 계자 저항, : 전기자전류,

: 전기자저항, E : 유기기전력,

V : 단자전압, I : 부하전류

1



1) 타여자 발전기

• 타여자 발전기의 전류관계 :

부하에 걸리는 단자전압 :

⇒ 유기기전력 :

• → 무부하단자전압

• 전기자와 계자가 완전히 분리되어 있기 때문에

부하의 변화에 계자전류는 영향을 받지 않아

항상 일정하게 되어 자속 ∅도 일정한 특징을 가짐

2



2) 자여자 발전기

① 직권 발전기

- 계자와 전기자, 부하가 직렬로 구성

- 전류관계 :

- 단자전압 :

직권발전기 유기기전력 :

2




① 직권 발전기

- 무부하시에는 이므로 계자에 전류가

흐르지 못해 자속이 발생되지 않아 전기자에

기전력이 유기되지 않음

⇒ 무부하시 단자전압은

직권 발전기는 무부하시 전압이 확립되지 않음

2




② 분권 발전기

- 전기자와 계자 권선이 병렬로 구성

- 전기자전류 :

단자전압 :

유기기전력 :

- 무부하 시 부하전류 이므로

2




② 분권 발전기

→ 무부하 시 단자전압은

이 값은 거의 와 같음

- 계자와 전기자가 병렬

: 부하에 걸리는 단자전압 V = 계자권선에 걸리는 전압

이 때 계자권선의 전압강하

2




③ 복권 발전기

- 직권 계좌 권선에 흐르는 전류와 복권계자권선에

흐르는 전류에 따라서 다음과 같이 분류

ⓐ 외분권 : 표준

전기자전류 :

단자전압 :

유기기전력 :

2




③ 복권 발전기

ⓑ 내분권

전기자전류 :

단자전압 :

유기기전력 :

2




④ 가동(화동)복권 발전기

- 직권 계자코일에 흐르는 전류와 복권계자권선에

흐르는 전류가 같은 방향일 때 직권 계자의 자속과

분권 계자의 자속이 합하여지는 발전기

- 직권 계자 전류에 따라 분권계자에 흐르는

전류의 크기가 변화 → 변화상태에 따라 분류

2




④ 가동(화동)복권 발전기

ⓐ 과복권 :

(부하전류 증가, 직권계자전류 크게 증가)

ⓑ 평복권 :

(부하전류 가 증가한 만큼 직권계자전류 도 증가)

ⓒ 부족복권 :

(부하전류 가 증가, 직권계자전류 도 조금 증가)

: 무부하 단자 전압, : 정격전압

2




⑤ 차동복권 발전기

- 직권계자 코일의 전류와 분권 계자 코일의 전류가

반대방향일 때 직권계자의 자속과 분권계자의 자속이

서로 상쇄되는 발전기

2


예제 01

타여자 발전기가 있다. 여자전류 2[A]로 매분

600회전 할 때 120[V]의 기전력을 유기한다.

여자전류 2[V]는 그대로 두고 매분 500회전할 때

유기기전력은 얼마인가?

정답 : 100[V]

유기기전력과 단자 전압과의 관계2


예제 01

타여자 발전기가 있다. 여자전류 2[A]로 매분

600회전 할 때 120[V]의 기전력을 유기한다.

여자전류 2[V]는 그대로 두고 매분 500회전할 때

유기기전력은 얼마인가?

해설 :

유기기전력과 단자 전압과의 관계2

에서 여자전류는 일정, 으로 정비례

비례식에 의해 N : N' = E : E' → 600:500=120: E'

E' = [V]

Chapter 2.직류발전기의특성

2. 직류발전기의 특성

직류 발전기 특성곡선

• 발전기 특유의 성질, 즉 특성을 표시할 때, 기본이 되는

여러 가지 양은

: 계자전류[A], : 전기자전류[A], : 부하전류[A],

: 유기기전력[V], : 단자전압[V], : 회전속도 [rps] 등

이들 상호의 관계를 나타내는 곡선 ‘특성곡선’

• 발전기는 정격 속도에 있어서의 특성을 표시한 것이 사용 됨

1



• 특성곡선의 종류

① 무부하 특성 곡선(무부하 포화 곡선)

: 정격 속도에서 무부하 상태의 와 의 관계를 나타내는 곡선

② 부하 특성 곡선

: 정격 속도에서 를 정격값으로 유지했을 때, 와 의 관계를

나타내는 곡선, 의 값으로는 정격 값의 ¾ , ½ 등을 사용

1



• ① 무부하 특성 곡선(무부하 포화 곡선)

ⓐ 타여자 발전기 무부하 특성

1

- 무부하 시 , 단자전압은

이때 계자전류 를 증가시키면 전기자에 유기되는

기전력은 자속의 포화점까지 증가

→ 포화점에서 계자전류를 감소시키면

유기기전력 E는 감소

- 기전력이 증가할 때와 감속할 때는 철의

히스테리시스 현상 때문에 유기기전력의 차 발생



• ① 무부하 특성 곡선(무부하 포화 곡선)

ⓑ 자여자 발전기 무부하 특성

1

- 계자에 잔류자기가 있어야 함

- 잔류자기를 전기자가 끊게 되면, 전기자에 약간의

기전력이 유기 됨

→ 전기자에 전류가 흘러 계자의 자속이 약간 증가

→ 아래 그림처럼 기전력이 증가

무부하 시



• ② 부하 특성 곡선

ⓐ 부하 특성 곡선( 와의 관계곡선)

1

- 타여자 발전기든 자여자 발전기든 부하 특성은 같음

- 발전기 운전 중 계자저항기 FR을 감소시키면

계자전류가 증가 → 자속이 증가되어 유기기전력 증가

→ 부하에 걸리는 단자전압 증가

: FR감소 → 증가 → ∅ 증가 → E증가 → V증가

⇒ 모든 직류 발전기는 계자 전류를 변화시키면,

부하에 걸리는 단자전압이 비례해서 변화함



• 특성곡선의 종류

③ 외부 특성 곡선

: 정격 속도에서 부하전류 와 단자전압 가

정격값이 되도록 를 조정한 후, 계자회로의 저항을

일정하게 유지하면서 부하전류 를 변화시켰을 때

와 의 관계를 나타내는 곡선

④ 무부하 특성 곡선( 와의 관계 곡선)

1



• ③ 외부 특성 곡선

ⓐ 외부 특성 곡선( 와의 관계곡선)

1

- 회전 속도, 여자전류를 일정하게 유지하고 부하전류의

변화에 대한 단자전압 변화의 관계를 외부특성이라 하고,

이를 곡선으로 나타낸 것

- 타여자 발전기에서는 부하전류의 증가와 함께

단자전압이 저하

원인 ① 접촉저항에 의한 전압강하( )

② 전기자 반작용 중 감자 작용에 의한 기전력 저하





1

- 타여자 발전기에서는 부하전류의 증가와 함께

단자전압이 저하

원인 ③ 분권 발전기에서는 단자 전압 저하에 의한

여자전류의 감소로 기전력이 저하( )

⇒ 분권 발전기에서는 타여자 발전기에 비해

전압의 저하가 큼





1

- 차동 복권 발전기는 분권계자와 직권계자가

반대로 작용부하전류 증가 시 단자전압의 감소가 큼

: 수하특성

- 정전류전원 즉, 직류전기 용접기 등 특수한 경우에 사용

보통은 화동복권으로 사용





1

- 화동 복권 발전기는 직권기자력을 적당히 하면,

전 부하에서도 거의 동일한 단자전압으로 또

전 부하로 바꿔서 전압을 높이고 선로의 전압강하를

보충해서 부하의 단자 전압을 일정하게 유지할 수 있음

- ① 평복권 : 직권기자력을 적당히 하면, 전 부하에서도

거의 동일한 단자전압으로 유지 가능

② 과복권 : 전 부하로 바꿔 전압을 높이고 선로의 전압강하 보충





1

- 화동 복권 발전기

정전압 전원으로 평복권이 주로 사용되는데 발전기에서

부하까지의 거리가 길고 그 사이 저항에 의한 전압강하를

보상해야만 하는 경우에는 과복권이 쓰임


예제 01

직류 분권 발전기의 무부하 특성 시험을 할 때 계자

저항기의 저항을 증감하여 무부하 전압을 증감시키면

어느 값에 도달하면 전압을 안정하게 유지할 수 없다.

그 이유는?

가. 전압계 및 전류계의 고장

나. 잔류 자기의 부족

다. 임계 저항값으로 되었기 때문에

라. 계자 저항기의 고장

직류 발전기 특성곡선1


예제 01

직류 분권 발전기의 무부하 특성 시험을 할 때 계자

저항기의 저항을 증감하여 무부하 전압을 증감시키면

어느 값에 도달하면 전압을 안정하게 유지할 수 없다.

그 이유는?

다. 임계 저항값으로 되었기 때문에

해설 : 자여자 발전기 전압 확립 조건에서 계자 저항은

임계 저항보다 작아야만 전압이 확립되며,

임계저항 이상이 되었을 때 전압이 확립되지 못한다.

직류 발전기 특성곡선1


자여자 발전기 전압 확립

• 분권 발전기

부하전류 , 전기자전류 , 계자전류 의 관계

⇒

무부하일 때는

계자권선의 저항을 , 단자 전압을 V라 하면

2


• 그림의 곡선 O'M은 분권 발전기를 타여자 발전기로

했을 때 무부하 포화곡선에서, 에 의해 생기는

전압강하를 뺀 것

• 직선 OA : 계자저항선, 와 V의 관계를 나타냄

• 저항선의 기울기를 θ라 하면

로 저항이 증가하면 θ는 커짐

2 자여자 발전기 전압 확립


• 곡선 O'M과 직선 OA와의 교점을 P라고 하면,

분권 발전기를 무부하로 운전할 때 잔류자기가 있으면

전압은 점차 상승 → 점 P까지 무부하 전압을 상승

• 전류자기에 의해서 OO'로 표시되는 기전력이

발생하면 이곳으로 계자 전류가 흘러 기자력이

잔류자기를 조장, 자속을 증가시킴



• 기전력이 증가하여 계자전류가 다시 증가하여

점 P까지 상승

• 전압의 확립 : 점차로 계자전류가 증가하고

단자전압이 상승하는 현상

• 전기자 권선과 계자권선의 접속이 잘못되어

계자전류의 기전력이 잔류자기를 소멸시키는 경우

발전 할 수 없음



• 접속이 바르게 되어도 회전방향이 반대가 되면,

유기기전력의 극성도 반대가 됨

→ 여자 전류가 잔류자기를 소멸, 발전 할 수 없음

• 처음에 직류 전원으로 여자하여 잔류자기가

생기도록 하면, 발전기의 단자의 극성이 결정됨

• 분권 발전기에서는 타여자 발전기와 달리

계자전류의 방향을 변환하여 단자전압의 극성을

자유롭게 바꿀 수 없음



※ 자여자 발전기의 전압 확립 조건

① 계자에 잔류자기가 있을 것

② 계자의 저항은 임계저항보다 작을 것

③ 회전자의 방향은 잔류자기와 같은 방향일 것

(잔류자기의 방향과 회전자 방향이 동일할 것)

※ 자여자 발전기는 계자권선이나 전기자권선 중

한 권선의 전류방향을 바꾸면 발전되지 않는다.

회전자가 잔류자기를 소멸시키기 때문



전압 변동률

• 발전기를 정격속도로 운전하여 정격전압 및

정격 전류가 흐르도록 계자저항을 조정한 후

갑자기 무부하로 하면 정격전압이 변화함

→ 이때의 전압 변동 정도 ‘전압 변동률’

• 전압 변동률을 이라 하면,

: 무부하 단자 전압

: 정격전압

3


전압 변동률

• 그림에서 알 수 있듯 전압 변동률의 부호가

일 때 : (-)값

일 때 : =0

• (+) : 타여자, 분권, 부족, 차동복권

= 0 : 평복권

(-) : 직권, 과복권

3


직류 발전기의 병렬 운전

• 조건

① 극성이 같을 것

② 정격전압이 같을 것

③ 두 발전기의 외부 특성이 약간의 수하 특성을 가질 것

⇒ 특히 복권 발전기와 직권 발전기는 꼭 균압선을

설치하고 병렬운전을 하여야 함

4


01. 직류기 3

Chapter 1. 직류전동기의원리

1. 직류전동기의 원리

직류 전동기

• 직류 전력을 기계적 동력으로 변환시키는 장치

• 구조는 직류 발전기와 같음

• 그림처럼 자극 N, S 사이에 코일 abcd를 놓고,

직류 전원으로부터 브러시 를 통해

정류자편 를 거쳐 전류를 흘리면 코일변 ab와

cd에는 각각 시계방향의 토크가 생겨 코일전체가

시계방향으로 회전

(a)


직류 전동기

• 반회전한 다음 그림 (b)의 위치에 와도 코일변 ab와

cd에는 시계방향의 토크가 발생

→ 코일전체는 그림 (a)처럼 시계 방향으로 회전

코일에 전류가 흐르는 동안에는 시계 방향으로 회전함

• 직류 전동기는 발전기와 같이 여자 방식에 따라

타여자, 분권, 직권, 복권 전동기(가동복권, 차동복권)로

분류됨

(a)

(b)


역기전력과 출력1

1) 분권 전동기

• 전기자 전류 :

역기전력 :

• 부하가 변하더라도 계자 전류는 항상 일정

• 계자전류는 전기자 전류에 비해 미소하므로

의 관계를 가짐

• 직류전동기에서 입력 ,

전기자출력


예제 01

단자 전압 220[V], 부하 전류 50[A]인 분권전동기의

역기전력 [V]은?

단, 여기서 전기자 저항은 0.2[Ω]이며, 계자전류 및

전기자 반작용은 무시한다.

정답 : 210[V]



예제 01

단자 전압 220[V], 부하 전류 50[A]인 분권전동기의

역기전력 [V]은?

단, 여기서 전기자 저항은 0.2[Ω]이며, 계자전류 및

전기자 반작용은 무시한다.

해설 : 분권전동기 에서 계자전류를 무시하면


= 220 - 50 × 0.2 = 210[V]→



2) 직권 전동기

• 전기자 전류 :

역기전력 :

• 무부하 시

→ 계자에 전류가 흐르지 않아 자속이 발생되지

않아 회전속도가 위험에 이름

→ 무부하 운전을 할 수 없어 직권전동기는

부하에 벨트구동을 하지 않음


직류 전동기 속도와 속도 특성2

1) 속도

• 직류 전동기 역기전력

, 라 하면

→ 속도 :

여기서, K는 기계상수이므로

⇒ 직류 전동기 속도는 자속에 반비례, 역기전력에 비례함



2) 분권 전동기 속도 및 속도 특성

① 속도




② 속도 특성

- 부하의 변화에 대한 속도 변화 곡선을 표시한 것

- 분권전동기는 부하가 변하더라도 계자 전류가

일정하므로 자속도 일정

- 전동기에 인가되는 정격전압 V가 일정한 상태에서

부하전류 I가 증가하면 만큼 속도는 감소

- 분권전동기는 타 전동기에 비해 가 미소하여

속도 변동이 작음




③ 분권전동기가 위험 상태에 놓일 때

- 정격전압 무여자 시 위험속도에 이름

= 0 → ∅ = 0 → n = ∞가 되어 위험



3) 직권전동기 속도 및 속도 특성

① 속도

- 이나 직권전동기는

⇒ 로도 나타냄

가 되어 계자전류와 자속 ∅는 정비례함




② 속도 특성

- 앞의 식에서 보는 바와 같이 속도와 부하전류 I가

반비례하게 되어 직권전동기의 속도 특성은

반비례 특성을 가짐




③ 직권전동기가 위험 상태에 놓일 때 : 정격전압 무부하 시

- 무부하 시

← 속도가 무한대에 이르게 되기 때문

- 직권전동기 운전시 부하와 직결방식으로 걸고

운전을 하는 이유 : 벨트를 걸고 운전하면 벨트가

잘 벗겨지거나 끊어져 무부하 상태가 되기 때문



4) 각종 직류 전동기의 속도 특성

① 곡선

- 직권전동기

- 가동(화동)복권 전동기

- 분권 전동기

- 차동 복권 전동기



4) 각종 직류 전동기의 속도 특성

① 곡선

- 부하변화에 따라 속도 변동이 가장 큰 전동기

: 직권전동기

- 부하변화에 따라 속도 변동이 가장 작은 전동기

: 차동 복권 전동기

- 가장 정속도인 전동기 : 타여자 전동기


직류 전동기 토크와 토크 특성3

1) 직류 전동기 토크

: 도체 한 개에서 발생되는 힘

r : 도체의 반경




• 에서 분자 분모에 2π 를 곱하면

전기자 면적

총자속 , B : 평균 자속 밀도

그러므로 도체 1개의 토크는

이때 전동기의 총 도체수를 z, 병렬 회로수를 a라 하면

직류 전동기 회전자에서 발생되는 총 토크

①




②

③ 로써 직류 전동기 토크는 자속과 전기자 전류에 비례

직류 전동기의 운전시 토크는 속도와 출력의 영향을 받음

전동기의 출력 을 고려하면

• 여기서 의 기계상수를 정의하면,


3


토크의 단위를 [㎏·m]로 표현할 때 1[Nm]= [㎏·m]

→ 가 되어 상수를 계산한 결과 식은

→ : 모든 전동기의 토크는 출력에 비례

속도에 반비례함

• 속도를 N[rpm]이라고 하면 →

직류 전동기 토크와 토크 특성



2) 직류 분권 전동기의 토크 특성

• 직류 전동기는 부하의 변화에 따라서,

계자전류 는 일정하므로 자속 ∅가 일정

에서 자속이 일정하므로

→ , 의 특성을 가짐



3) 직류 직권전동기 토크 특성

• 직권전동기는 가 되고 로써 정비례

→ ,

⇒ 직권전동기의 토크는 부하전류의 2승에 비례함

• 또한, 을 에 대입하면,

→ : 직권전동기 토크는 속도의 2승에 반비례

⇒ 직권전동기는 전차의 용도에 적합한 전동기



4) 각종 직류 전동기의 토크 특성 곡선

① 직권전동기

② 가동(화동)복권 전동기

③ 분권전동기

④ 차동복권전동기

Chapter 2.직류전동기의운전

2. 직류전동기의 운전

직류 전동기의 기동

모든 전동기의 기동 조건은 다음 2가지를 만족 시켜야 함

1

• 운전 중에 있는 직류 전동기의 전기자 전류

• 는 분권 전동기 : 전기자의 저항

직권, 복권 전동기 : 전기자와 직권 계좌 권선 저항의 합

는 매우 적지만 운전 중에 있어서 E가 충분히 발생하고

있으므로 적당한 값에 유지됨

1) 기동 시 기동 전류는 작을 것


직류 전동기의 기동1

• 그러나, 기동 시 E=0이 됨

→ 전원 전압을 그냥 가하면 로 표시되는

매우 큰 전류가 흘러 전기자 훼손 가능성이 있음

• 전류 계산을 위해(일반적으로 정격전류의 100-150[%],

큰 기동 토크를 요구 시 300[%]까지) 적당한 저항을

전기자에 직렬로 넣고 회전수가 점차 올라 역기전력 E가

증가하면, 그 저항을 조금씩 빼주는 방법 사용 : 기동 저항,

저항과 부속품을 합하여 조립한 기기 : 기동기

1) 기동 시 기동 전류는 작을 것


직류 전동기의 기동1

• 모든 전동기의 토크와 속도는 반비례

→ 기동 시 속도가 최소 일 때 기동토크가 최대

• 그러므로 속도 에서 기동 시 E=0이므로

자속 ∅가 최대가 되어야 속도 n이 최소가 됨

⇒ 계자저항기는 최소 위치에 놓고 기동시켜야 함

2) 기동 시 기동 토크가 클 것


직류전동기 속도 제어2

① 계자 제어법

• 계자자속 ∅를 변화시키는 방법

• 분권이나 복권전동기의 분권 권선에 직렬로 저항을

넣어 계자전류를 조정하여 자속 ∅를 변화시킴

• 정출력 제어 방식

② 저항 제어법

• 전기자에 저항을 직렬로 넣어서 의 값을 변하게 하여

전압강하 를 변화시키는 방법


직류전동기 속도 제어2

③ 전압 제어법

• 공급전압 V를 변화시키는 방법

• 가장 원활, 전압제어 시 자속 ∅는 변하지 않도록

타여자 방식으로 해야 함

• ① 워어드 레오너드 방식 ② 일그너 방식

워어드 레오너드 방식이 가장 효율이 좋음

• 정토크 제어 방식


전동기의 제동3

① 발전 제동

• 운전 중인 전동기를 전원으로부터 분리 후 발전기로 작용

: 회전체의 운동에너지 → 전기에너지

→ 저항 내에서 열에너지로 소비시켜 제동하는 방법

② 회생 제동

• 권상기, 엘리베이터, 기중기 등으로 물건을 내릴 때나

전기기관차, 전차가 언덕을 내려가는 경우,

강하중량의 위치에너지로 전동기를 발전기로 동작

→ 발생한 전력을 전원에 반환하면서 과속을 방지



③ 역상 제동

• 운전 중인 전동기의 전기자 전류를 반대로 전환하면

자속은 변하지 않으나, 전기자전류만 반대로 됨

→ 반대 방향의 토크가 발생되어 제동


예제 01

정답 : 750[rpm]

공급전압 525[V], 전기자 전류 50[a]일 때 1000[rpm]의 회전

속도로 운전하고 있는 직류 직권전동기의 공급 전압을 400[V]로

낮추면 같은 부하 토크에 대하여 회전속도 [rpm]는 얼마인가?

단, 전기자 반작용은 무시하고 전기자 저항과 직권

계자 저항의 합은 0.5[Ω]



예제 01

해설 : 로 정비례함 → 비례식으로 해결







100[rpm]일 때 역기전력 :


예제 01

해설 : 전압이 400[V]로 감소할 때







E = 400 – 50 × 0.5 = 375[V]

로부터 →

Chapter 3. 직류기손실및효율

3. 직류기 손실 및효율

손실1

㉠ 동손

㉡ 표류 부하손

1) 가변손(부하손)

: 손실 중 부하손의 대부분은 동손


손실1

2) 고정손(무부하손)

㉠ 철손

- 히스테리시스손

- 와류손

㉡ 기계손

- 마찰손

- 풍손

: 손실 중 무부하손의 대부분은 철손


효율2

• 실측효율 : 출력 및 입력을 직접 측정해서 구하는 효율

이때 발전기의 입력과 전동기의 출력은 모두 기계 동력

이므로 정확히 측정하기는 곤란

→ 어떤 부하 상태에 관해 그 상태의 손실을 여러 가지

방법으로 측정 또는 계산해서

‘입력 = 출력 + 손실’ 혹은 ‘출력 = 입력 – 손실’ 이므로


효율2

• 규약효율

② 전동기 효율

실제로 부하를 걸지 않아도 되어 대용량기 효율 산정에 좋음

① 발전기 효율


예제 01

정답 :

일정전압으로 운전하고 있는 직류 발전기의 손실이

으로 표시될 때, 효율이 최대가 되는 전류는?

(단, a, β 는 정수이다.)

효율2


예제 01

해설 : 손실 중에서 는 부하전류에 관계없이 고정손이고,

은 전류의 제곱에 비례하는 가변손이다.

최대 효율 조건은 (고정손)=(가변손)일 때 이므로

일정전압으로 운전하고 있는 직류 발전기의 손실이

으로 표시될 때, 효율이 최대가 되는 전류는?

(단, a, β 는 정수이다.)

효율2

⇒


04. 동기발전기 1

Chapter 1. 동기발전기의원리와구조

1. 동기발전기의 원리와 구조

원리1

• N, S 사이에 코일 abcd를 를 축으로 하여

시계방향으로 돌림

☞ 코일변 ab, cd는 자속을 끊으므로 플레밍의 오른손

법칙에 의해 다음과 같은 현상이 나타남

- ab, cd에는 화살표로 나타낸 방향에 기전력이 흐름

- 유기, 전류는 슬립 링 와 브러시 를

거쳐 A에서 B로 향해 흐름

• 반회전 후, 기전력의 방향은 반대, 전류는 B에서 A로 흐름

N

B

A

a

b

d

c

S


원리1

• 코일이 일정한 속도로 도는 동안 반회전마다 기전력

방향이 규칙적으로 변함 → 교번기전력 생성

※ 교류발전기는 자극 N, S가 직류로 여자된다

• [그림 1]은 계자 고정, 전기자 회전하는 ‘회전 전기자형’

N

B

A

a

b

d

c

S


원리1

• 코일이 일정한 속도로 도는 동안 반회전마다 기전력

방향이 규칙적으로 변함 → 교번기전력 생성

※ 교류발전기는 자극 N, S가 직류로 여자된다

• [그림 2]는 코일 즉, 전기자를 고정시키고 자극을

회전시키는 ‘회전계자형’

※ 교류발전기 대부분이 회전계자형임

자속

t = 0

N

N


구조2

① 계자(회전자) : 자속을 만드는 부분

② 전기자(고정자) : 계자에서 발생된 자속을 끊어 기전력을

유기하는 부분

③ 여자기 : 여자방식은 직류 타여자 방식으로 DC 100-120,

200-250[V]를 인가함

④ 베어링

⑤ 냉각장치 ㉮ 공냉식 : 소용량

㉯ 수냉식 : 중, 대용량

㉰ 수소 냉각 방식(고속기 대용량, 동기발전기에서 터빈 발전기)


동기 속도와 주파수와의 관계3

• 2극 교류 발전기는 1회전 시 1[Hz]가 발생하고,

P극 발전기는 1회전 시 가 발생

- 주파수 :

- 회전수 :

※ 동기속도 : 1주기 안에 일정한 주파수를 발생하기 위해

일정한 속도로 회전할 때의 속도를 말함

N

B

A

a

b

d

c

S



1) 동기속도

: 유기기전력의 주파수 [㎐]

: 극수

2) 주파수


예제 01

극수 6, 회전수 1200[rpm]의 교류발전기와

병행 운전하는 극수 8의 교류발전기의 회전 수는

몇 [rpm]이어야 하는가?


정답 : 900[rpm]


해설 : 동기속도 :


, 병렬 운전시 주파수가 일치하여야 함

예제 01

극수 6, 회전수 1200[rpm]의 교류발전기와

병행 운전하는 극수 8의 교류발전기의 회전 수는

몇 [rpm]이어야 하는가?


동기발전기의 종류4

1) 회전자에 의한 분류

① 회전계자형

: 전기자를 고정자로 하고, 계자극을 회전자로 한 것

② 회전전기자형

: 계자극을 고정자로 하고, 전기자를 회전자로 한 것

③ 유도자형

: 계자극과 전기자를 모두 고정자로 하고 권선이 없는

회전자 즉, 유도자를 회전자로 한 것

고주파 발전기로 쓰임




가. 전기적인 면

ⅰ) 계자는 직류 저압이 인가되고, 전기자는 교류 고압이

유기되므로 저압을 회전시킬 때 위험성이 낮음

ⅱ) 전기자는 3상 결선이고 계자는 단상 직류이므로

결선이 간단한 계자가 위험성이 낮음

① 회전 계자형으로 하는 이유




나. 기계적인 면

ⅰ) 전기자보다 계자가 철의 분포가 많기 때문에

회전 시 기계적으로 더 튼튼함

ⅱ) 전기자는 권선을 많이 감아야 되므로 회전자 구조가

커져 원동기 측에서 볼 때 출력이 더 증대됨

① 회전 계자형으로 하는 이유



2) 원동기에 의한 분류

① 수차발전기

- 수차로 운전되는 것

- 저속도에서는 100~150[rpm], 고속도에서는

1000~ 1200[rpm]정도의 회전수로 운전




② 터빈발전기

- 원동기를 증기 터빈으로 하는 발전기

- 극수는 2극 ~ 4극기로 고속으로 회전하기 때문에,

회전자는 원통형으로 지름이 작고 축방향으로 길이를

길게 하여 원심력을 작게 함

- 회전자 : 횡축형 발전기, 냉각방식 : 수소냉각방식




ⅰ) 비중이 공기의 약 7[%] → 풍손 약 1/10로 감소

ⅱ) 비열이 공기의 약 14배

→ 열전도율이 공기의 약 7배로

냉각효과가 커 공기냉각에 비해 약 25[%]의 출력 증가

ⅲ) 밀폐식 : 수분, 먼지 등이 침투하지 않아 코로나에 의한 손상 없음

ⅳ) 절연물의 수명이 김

ⅴ) 운전 중 소음이 적음

- 수소 냉각 방식의 장점




ⅰ) 공기와 혼합할 때 수소의 농도 75[%]이하에서는

폭발성으로 되기 때문에 방폭구조여야 함 → 설비비 상승

ⅱ) 수소가스의 압력 및 순도를 자동제어 해야 함

ⅲ) 수소가스의 봉입배출에는 탄산가스로 치환

- 수소 냉각 방식의 단점




③ 엔진 발전기

: 내연기관으로 운전

회전수 100~ 1000[rpm]의 고속회전



3) 상수에 의한 분류

① 단상 발전기 : 단상교류를 발생하는 발전기

② 다상 발전기

- 2상 이상의 교류를 발생하는 발전기

- 보통 3상 발전기를 전력용에 사용



4) 회전자 형태에 의한 분류

① 돌극기(철극기)

- 계자철심이 돌출된 Type

- 공극이 불균형하여 자속분포가 일정하지 않음

→ 전기자 반작용 리액턴스가 증가

- 수차발전기나 엔진 발전기와 같이 중형 이하 및

저속기에 적용



4) 회전자 형태에 의한 분류

② 비돌극기(원통형)

- 회전자 축과 자극을 한 덩어리로 만든 것

- 회전자 형태가 원형으로 공극이 일정하므로

자속분포가 균일



• 전기자 결선을 성형 결선으로 하는 이유

(3상 동기발전기의 전기자 결선을 Y 결선으로 하는 이유)

① Y 결선은 △결선에 비하여 발전기 정격전압을 배 만큼

더 크게 할 수 있다.

② 중성점을 접지할 수 있으므로 이상전압으로부터 발전기는

보호 받을 수 있다.

③ Y 결선은 중성점 전류의 합이 영으로 되기 때문에 고조파

순환 전류가 흐르지 않으므로, 권선에서 발생되는 열이

작고, 선간전압에도 3고조파전압이 나타나지 않는다.



• 전기자 결선을 성형 결선으로 하는 이유

(3상 동기발전기의 전기자 결선을 Y 결선으로 하는 이유)

④ 중성점 접지할 수 있어 보호계전기의 동작이 확실하다.

⑤ 한 상에 인가되는 코로나 전압이 △결선에 비해 1/ 배

작기 때문에 코일의 코로나 열화 등이 작다.

그러나, Y 결선이나 △결선의 발전기 출력은 같다.



예제 02

3상 동기발전기의 전기자 권선을 Y결선으로 하는

이유로서 적당하지 않은 것은?

가. 고조파 순환전류가 흐르지 않는다.

나. 이상 전압 방지의 대책이 용이하다.

다. 전기자 반작용이 감소한다.

라. 코일의 코로나, 열화 등이 감소한다.

정답 : 다. 전기자 반작용이 감소한다.



예제 02




해설 : 3상 동기발전기의 전기자 권선을 Y 결선으로

하는데 그 이유는 다음과 같다.



예제 02




해설 :

① Y 결선은 △결선에 비하여 발전기 정격전압을

배 만큼 더 크게 할 수 있다.

② 중성점을 접지할 수 있으므로 이상전압으로부터

발전기는 보호 받을 수 있다.



예제 02




해설 :

③ Y 결선은 중성점 전류의 합이 영으로 되기 때문에

고조파 순환 전류가 흐르지 않으므로,

권선에서 발생되는 열이 작고, 선간전압에도

3 고조파전압이 나타나지 않는다.



예제 02




해설 :

④ 중성점 접지할 수 있으므로 보호계전기의 동작이

확실하다.



예제 02




해설 :

⑤ 한상에 인가되는 코로나 전압이 △결선에 비하여

배 만큼 작기 때문에 코일의 코로나 열화 등이

작다. 그러나, Y 결선이나 △결선의 발전기

출력은 같다.

Chapter 2.동기발전기의유기기전력

2. 동기발전기의 유기기전력

동기발전기의 유기기전력1

• 1개의 전기자도체에 유기되는 기전력의 순시치 :

- 전기자 직경(D), 회전수(N), 극수(P), 주파수(f)

⇒ ,

• B가 정현적으로 변화하면 e도 정현파형 으로 변화하며,

이 기전력의 평균치를 이라 하면

⇒



• 은 1극 밑의 전기자 표면적이므로

평균자속밀도 B와의 적은 1극의 총자속 ∅를 표시

⇒ 가 되며

실효값

도체 1개의 유기기전력 :



• 코일의 각 변이 전기각도로 180˚만큼 떨어져 있고

1상 1극당 슬롯수가 1인 경우

권수 ω가 되는 권선에 유기되는 기전력은 전부 동상이

- 전기전력은 1개, 도체의 유기전압의 2ω

- 권선의 유기기 전력 :



• 동기기의 권선은 분포권, 단절권으로 구성하면

어느 1상에 직렬로 연결되어 있는 각 도체의 기전력 사이에는

위상차가 생겨 유기기전력이 감소함

☞ 합성 유기기전력은

에서 으로

유기기전력이 감소함

( ※ = 권선계수 )


예제 01

60[㎐], 12극의 동기전동기 회전자계의 주변속도

[m/s]는? 단, 회전자계의 극 간격은 1[m]이다.

정답 : 120[m/s]



예제 01

60[㎐], 12극의 동기전동기 회전자계의 주변속도

[m/s]는? 단, 회전자계의 극 간격은 1[m]이다.

해설 : 회전자계의 주변속도


계자의 극이 총 12극이고, 극 간격이 1[m]이므로

회전자의 원둘레 πD는 12[m]이다.


예제 02

동기발전기에 극수 4, 1극의 자속수 0.062[Wb],

1분간의 회전속도를 1800 [rpm], 코일의 권수를

100이라 할 때 코일의 유기기전력의 실효값[V]은?

정답 : 1652[V]



예제 02

동기발전기에 극수 4, 1극의 자속수 0.062[Wb],

1분간의 회전속도를 1800 [rpm], 코일의 권수를

100이라 할 때 코일의 유기기전력의 실효값[V]은?

해설 : 에서


0.062

Chapter 3. 동기발전기의전기자권선

3. 동기발전기의 전기자 권선

전기자 권선법1

1) 단절계수( )

• 전절권 : 코일 간격을 극간격과 똑같이 하는 권선법

• 단절권 : 코일 간격을 극간격보다 짧게 하는 권선법

실제 동기발전기에서 고조파 제거를 위해 사용

• 전절권보다 단절권으로 하면 전기자 코일변에

유기되는 합성기전력이 작아짐 : 감소율을 ‘단절계수’라 함



1) 단절계수( )

① 단절계수

그림에서 도체 2개에 유기되는

기전력을 각각 라고 할 때

이 둘은 크기가 같다고 가정

a

N S

b



1) 단절계수( )

① 단절계수

- 도체 2개의 유기되는 전절권의 합성 기전력



1) 단절계수( )

① 단절계수

- 도체 2개에 유기되는 단절권의 합성 기전력

이므로



1) 단절계수( )

②

: 기본파의 단절계수

: n차 고조파의 단절계수


예제 01

3상, 6극 슬롯수 54의 동기발전기가 있다. 어떤

전기자 코일의 두 변이 제 1슬롯과 제 8슬롯에 들어

있다면 단절권계수는 얼마인가?

정답 : 0.9397



예제 01

3상, 6극 슬롯수 54의 동기발전기가 있다. 어떤

전기자 코일의 두 변이 제 1슬롯과 제 8슬롯에 들어

있다면 단절권계수는 얼마인가?

해설 : 단절계수


→



2) 분포계수( )

• 집중권 : 매극 매상의 도체를 한 개의 슬롯에 모두 넣은 것

• 분포권 : 매극 매상의 도체를 2개 이상의 슬롯에 각각

분포시켜서 넣은 것

실제 고조파 제거를 위해 사용

• 집중권보다 분포권으로 하면 슬롯간격만큼 집중권에

유기되는 합성기전력 보다 작아짐

: 이 때 감소율을 ‘분포계수’라 함



2) 분포계수( )

① 분포계수

1상 1극의 슬롯수가 2개 이상인 경우 각각 슬롯

내부에 들어있는 코일에 유기되는 기전력은 위상이 다름

⇒ 합성 기전력은 산술합이 안되고 벡터합이 됨



2) 분포계수( )

① 분포계수

그림 같이 3개의 슬롯에 분포 배치하면 각 코일의

유기기전력 는 서로 a만큼 위상이 다름

→ 합성치는 그림(b)의

코일 전부를 1개의 슬롯에 배치한 집중권으로 하면

유기기전력의 합성치는

그림 (a)

그림 (b)a



2) 분포계수( )

① 분포계수

그림에서 이므로 도체가 q개인 경우

여기서,

→

분포권의 합성기전력A

R

C

0



2) 분포계수( )

②

: 기본파의 분포계수

: n차 고조파의 분포계수


예제 02

매극매상의 슬롯수 3, 상수 3의 권선의 분포계수를

구하면?

정답 : 0.96



예제 02

매극매상의 슬롯수 3, 상수 3의 권선의 분포계수를

구하면?

해설 : 분포계수 에서 q=3, m=3




3) 권선계수( )

• 권선계수 = 단절계수 × 분포계수

• 분포권, 단절권으로 하면 권선계수 < 1

집중권, 전절권으로 하면 권선계수 = 1



4) 퍼센트 동기 임피던스( )

• 동기발전기의 동기 임피던스를 [Ω] 대신 백분율로 나타냄

• 퍼센트 동기 임피던스는 단락비의 역수

: 한상의 정격 전류

: 한상의 정격 전압(상전압)

: 한상의 동기 임피던스

• 3상 기기에서는


05. 동기발전기 2

Chapter 1. 동기발전기의전기자반작용

1. 동기발전기의 전기자 반작용

횡축반작용

• 전기자전류와 유기기전력이 동상인 경우

전기자전류와 기전력 E가 동시에 최대인 경우로써

그림 (a)에는 편자작용(교차자화작용)이 일어남

(a) 기전력과 동상의 전류

직축

횡축

직축

주자속 φ회전방향


직축반작용

• 전기자전류가 유기기전력보다 90˚뒤질 때

감자작용이 일어남 (그림 b)

• 전기자전류가 유기기전력보다 90˚앞설 때

증자작용(자화작용)이 일어남 (그림 c)

(b) 기전력과 90˚ 늦은 전류 (c) 기전력과 90˚ 앞선 전류

전기자전류자속

N

S

φ2

N

S


예제 01

2대의 동기발전기가 병렬 운전하고 있을 때 동기화

전류가 흐르는 경우는?

가. 기전력의 크기에 차이가 있을 때

나. 기전력의 위상에 차이가 있을 때

다. 부하 분담에 차가 있을 때

라. 기전력의 파형에 차가 있을 때

정답 : 나. 기전력의 위상에 차이가 있을 때

횡축반작용과 직축반작용


예제 01

2대의 동기발전기가 병렬 운전하고 있을 때 동기화

전류가 흐르는 경우는?

나. 기전력의 위상에 차이가 있을 때

해설 : 2대의 동기 발전기가 병렬 운전하고 있을 때

기전력의 위상에 차이가 있는 경우 동기화

전류가 흐르게 된다.

횡축반작용과 직축반작용


1

• 동기발전기의 동기 임피던스 :

: 전기자저항, : 동기 리액턴스

• 동기리액턴스 :

: 전기자 반작용리액턴스, :전기자 누설 리액턴스

• 동기발전기의 전기자 저항 는 동기리액턴스 에 비해

현저히 작음 → 전기저항 를 무시하면

동기 리액턴스를 대부분 차지하는 것은 누설 리액턴스

⇒ 유기기전력

• 벡터도에서 δ : 부하각, E와 V의 상차각

동기 임피던스와 유기기전력

δ


2

• 1 상분 출력을 P라 하면

또한

비돌극기 동기발전기의 출력

• 출력과 부하각은 일정한 에 있어서

위 식의 P와 δ의 관계를 나타낸 것

• 3상의 경우 출력은

• δ : 부하각 위상각 (δ)

P


2

• 동기탈조 :

부하가 늘면 δ가 증가, 부하의 크기에 대응

→ δ = 90˚에서 최대, 이것을 넘으면

출력은 감소하므로 운전할 수 없음

비돌극기 동기발전기의 출력

※ 참고 : 돌극기 δ=60˚에서 최대 출력임 위상각 (δ)

P

Chapter 2.3상동기발전기의단락전류와단락비

2. 3상동기발전기의 단락 전류와 단락비

3상 동기발전기의 단락 전류1

• 동기 리액턴스를 누설리액턴스와 전기자 반작용으로

나눠 생각하면 발전기의 단락 전류를 생각할 때 편리함

• 그림 (a)의 S를 닫고 처음부터 발전기 단자를 단락하고

점차 여자를 늘리면 단자전압은 0 그대로지만

단락 전류는 그림 (b)와 같이 거의 여자전류에

비례한 크기로 증가함

→ 동기 임피던스가 일정하다고 생각할 수 있기 때문

(a)

(b)

S

여자전류

무부하전압전압·전류



• (그림a) 단락한 상태에서 전부하 전류 를 흐르게 했을 때

→ 여자전류는 그대로 유지하고 있어 단락을 열면,

여자 전류에 상당하는 유도 기전력(무부하전압)이

단자 전압으로 나타남

→ 상당히 높은 값으로 보통은 정격 전압에 달함여자전류

무부하전압전압·전류



• (그림b) 전압 가 나와 있는 상태에서

스위치를 닫고 단자를 단락 할 때

→ 정격전류 수 배의 돌발 단락전류가 흐름

→ 수 사이클에서 수십 사이클 뒤,

지속 단락전류(또는 영구 단락전류)가 됨

과도단락전류

자속단락전류직류분최대치

교류분최대치

0t

최대치



• 단락 시의 단락전류가 제한되는 이유는

전기자의 누설 리액턴스 때문

- 단락 전류는 거의 90˚ 뒤진 전류이고,

전기자 반작용은 감자 작용으로 계자 자속을 감소함

- 계자권선에는 그 반작용으로 자기 유도 작용을

일으키는 자속의 감소를 저지하고 자속을 일정하게

유지하려는 여자전류가 흐름

과도단락전류

자속단락전류직류분최대치

교류분최대치

0t

최대치



• 그러나 과도적인 과대 전류는 점차 감쇠하고

전기자 반작용이 발생하여 단락전류는

영구 단락 전류로 정착함

• 지속단락전류

• 돌발단락전류

• 3상 단락시 돌발 단락 전류를 제한하는 것 : 누설 리액턴스


예제 01


정답 : 100.4[A]

800[㎸A], 6000[V], 동기 임피던스 6[Ω] 2대의

교류 발전기를 병렬 운전 중 A기의 유기기전력의

위상이 20˚ 앞서가는 경우의 동기화 전류를 구하시오.

단, cos5˚=0.996, sin10˚=0.174이다.


예제 01

800[㎸A], 6000[V], 동기 임피던스 6[Ω] 2대의

교류 발전기를 병렬 운전 중 A기의 유기기전력의

위상이 20˚ 앞서가는 경우의 동기화 전류를 구하시오.

단, cos5˚=0.996, sin10˚=0.174이다.

해설 :


100.4[A]


단락비( )2

• 무부하 포화시험과 3상 단락시험으로부터 구할 수 있음

• 동기발전기의 특성을 단적으로 정의

무부하 시 정격전압을 유기하는데 필요한 여자전류

3상단락 시 정격전류와 같은 단락전류를 흐르게 하는데 필요한 여자전류단락비( ) =

∴ 단락전류

←

단자전압

←

무부하 포화곡선

O

b

c

a


단락비( )2

1) 단락비가 큰 기계(철기계)

• 자속의 분포를 크게 하기 위해 철심 형태를 크게 하여

계자의 구조가 큼

→ 전기자의 구조가 커지기 때문에

발전기 구조도 전반적으로 커짐

→ 코일인 동보다는 철심의 분포가 더 많기 때문에

철기계라고 함


단락비( )2

1) 단락비가 큰 기계 (철기계)

• 장점 ㉮ 동기 임피던

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· · 2020-06-082. 전기자권선법과유기기전력 전기자권선법 • 전기자권선법의분류 ①환상권과고상권- 환상권: 환상철심에권선을안팎