1

515P

12.1 개 요직류기의 사용은

전력용 반도체에 의한 컨버터, 제어시스템의 사용으로 줄어든다.

직류발전기는

압연기, 쇄빙선, 전기화학산업 및 맥동이 적은

직류전원 구동시스템에 사용되고 있다.

2

515P

12.2 자여자 분권발전기(self-excited generator)

등가회로

분권발전기의 전압 확립극철의 잔류자기(residual magnetic)로부터 초기기전력을 형성한다.

계자스위치는 전압확립(voltage buildup)의 과정을 설명하며 실제는 사용되지 않는다.

3

516P

자여자발전기의 자화곡선 및 계자저항선

4

515P

계자저항선은

분권계자권선에서 오옴의 법칙에 의한 인가전압과 전류 사이의 관계를 나타낸다.

자화곡선은

-. 발전기를 정격속도상태에서 타여자발전기로 동작시켜 무부하상태로 하고

-. 계자전류를 0%에서 125% 까지 변화시켜 유기기전력곡선을 구한다.

-. 히스테리시스 루프를 피하기 위해 시험도중에는 계자전류 감소를 피한다.

-. 이 곡선은 X-Y 플로터로 얻는다.

5

516P

6

516P

7

517P

전압확립-. 계자스위치가 열려 있고 전기자는 정격속도로 회전하여 잔류자속에 의해 7V 정도의

전압이 확립되었다고 가정

-. 계자스위치를 닫으면 계자권선에 7V의 전압인가되고 계자저항선과 같이 0.6A의

전류가 흐른다.

-. 계자전류는 자화곡선과 같이 13V로 전압을 상승, 계자권선에 1.1A의 전류발생

-. 이 전류는 전압을 19V로 올리고, 계속 증가한다.

-. 이러한 과정은 전압증가가 자속증가를 이루지 못할 때까지 계속된다.

(자화곡선과 계자저항선이 만나는 교차점에서 발생 : 이점을 운전점(Operating

point)라 한다.)

-. 교차점에 접근함에 따라 계자전류의 증분은 점점 작아지고, 최종적인 유기기전력과

계자전류에 도달하게 된다.

-. 실제는 단계적인 증분이 아니라, 상당히 빠르고 부드럽게 전압확립이 이루어지며,

자기포화와 계자회로의 저항에 의해 제한된다.

8

517P

무부하전압(No-load voltage, Open-circuit voltage)의 조정-. 개방회로전압이라고도 불리며,

무부하전압은 계자저항선의 기울기를 변화하여 조정이 가능하다.

-. 분권계자에 저항을 추가하면, 직선의 기울기가 증가하여

교차점(운전점)이 낮은 전압에서 발생

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517P

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519P

-. 그래프를 이용하여 해를 구하는 것은

식(12-1)의 자기저항(R)의 비선형성 때문에 대수적으로 답을 구하기 어렵기 때문

-. 만일 계자저항선이 그림 R4와 같이 자화곡선 직선부의 왼쪽에 가감저항기를

설정하면, 확립된 발전기의 전압은 잔류자기만에 의해 나타나는 전압보다 약간 높은

값에 불과하다.

-. 계자저항선이 자화곡선의 직선부분과 일치한다면(임계저항 : critical resistance)

전압은 불안정해지며, 겹치는 부분의 어느 위치에서도 전압이 확립될 수 있게 된다.

전압을 확립하기 위해서는 계자회로 저항이 임계저항보다 작아야 한다.

-. 가감저항기를 개방하거나, 가감저항기의 저항값이 너무 크거나, 정류자의 브러쉬압

력이 너무 낮아서 접촉이 불완전하거나, 브러쉬나 정류자가 많이 오염되어 있거나,

계자권선코일이 개방되어 있으면 전압확립은 되지 않는다.

기본설계-. 자여자발전기는 출력단에 부하가 연결되지 않고

가감저항기의 저항이 0으로 조정되어 있을 때 정격전압의 125%로 설계된다.

-. 계자의 가감저항기는 저항값이 최대일 때

무부하전압이 정격전압의 50% 정도로 설계된다.

11

519P

12.3 자여자발전기에서 속도가 전압확립에 미치는 영향-. 자여자발전기의 임계저항은 기기의 속도와 밀접한 관계

저속에서 회전하는 고속기기는 같은 계자회로저항을 사용하여도 같은 전압을

확립하지 못한다.

기기의 속도가 다르면 임계저항값도 달라진다.

그림에서 계자저항선이 보여주는 바와 같이

고속에서는 자화곡선과의 교차점이 상대적으로 높은 전압에서 나타나고,

저속에서는 자화곡선과의 잔류자속에 의한 전압보다 약간 높은 전압에서 일어난다.

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519P

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522P

12.4 전압확립에 영향을 미치는 다른 요인들

자여자발전기에서 전압확립에 영향을 미치는 요인은

1. 계자회로 저항 값

2. 저속회전

3. 기타요인

반대방향으로 분권계자연결

반대방향으로 회전

반대방향의 잔류자장 등이 있다.

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523P

정상운전의 상태로

원동기는 시계방향으로 회전하고

잔류자속 및 계자코일에 의한 자속은 모두 왼쪽이다.

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523P

계자회로를 반대로 연결한 경우

계자회로에 의한 자속이 잔류자속에 의한 자속과 반대방향으로

전압은 원래 잔류자속에 의한 전압보다 낮아진다.

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523P

회전방향을 반대로한 경우

전기자의 전압의 방향이 반대로되며,

계자전류의 방향이 반대로 되고 계자전류에 의한 자속이

잔류자속에 의한 자속에 대하여 반대로되어

전압은 원래 잔류자속에 의한 전압보다 낮아진다.

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523P

반대방향으로 회전하는 경우

반대방향의 잔류자속이 반대방향의 전기자전압, 전기자전류를 발생

잔류자속, 계자전류에 의한 자속이 모두 반대방향이 된다.

반대방향의 전압이 확립된다. 발전기는 반대방향의 극성으로 정격전압에서 운전된다.

반대방향의 극성을 교정하기위해서는

외부직류전원을 이용하여 철의 잔류자속의 방향을 바른방향으로 교정한다.

계자플래싱(field frashing)이라 한다.

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524P

12.5 자여자 분권발전기에서 회로의 단락이 극성에 미치는 영향-. 자여자발전기의 출력이 갑자기 갑자기 단락되는 경우

분권계자권선회로도 단락된다(계자전류와 계자기자력은 아주 낮은 값이 된다)

아주 큰 전기자전류가 흐르기 때문에 보극이 완전히 포화되어, 보극의 효력이 상실

보극의 자계는 더 이상 전기자전류에 비례하지 않는다.

큰전류는 강한 감자기자력을 발생하여 분권계자기자력에 비해 상대적으로 매우높은

반대방향의 기자력이 합성됨으로 주극의 잔류자화방향이 바뀐다.

따라서,

회로의 차단기가 작동된 이후에는 발전기의 전압은 반대방향으로 확립된다.

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525P

1 단락 발생

2 단락으로 분권계자회로도 단락분권계자권선 전압 낮아짐

3 주계자자속 감소

4 상대적으로 큰 전기자전류에 의한잔류자속 형성`

5 회로의 차단기 작동된 이후에는발전기의 전압이 반대방향으로 확립

분권계자권선의 단락

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525P

12.6 자여자 분권발전기의 부하전압 특성

자여자 분권발전기는 타여자분권발전기에 비해 복잡한 운전양상

-. 자여자발전기의 계자전류가 발전기의 출력전압에 의존하기 때문이다.

-. 발전기에 부하를 추가하면 전기자회로에 전압강하가 일어나며

보상권선이 없는 경우에는 전기자반작용에 의한 감자기자력이 발생

이 두가지 모두 출력전압의 감소를 수반

-. 감소된 출력전압은 분권계자전류를 감소시키고, 추가적인 전압강하 발생

전압항복-. 대단히 큰 과부하가 인가되면 출력전압이 떨어지고, 계자전류를 감소, 추가적인

전압강하를 수반하여 거의 0V의 전압까지 급격히 떨어진다.

-. 발전기의 회로차단기가 동작한 다음, 전압을 다시 확립해야 한다.

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526P

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526P

12.7 무부하전압의 그래프를 이용한 근사직류발전기의 전압변동률

무부하전압은-. 명판에 주어진 조건하에서 발전기를 운전하고 있는 상태에서 부하를 제거하였을 때

나타나는 전압을 측정함으로써 얻을 수 있다.

(정확한 값을 얻는 방법이기도 하지만, 대형기기에서는 실제 적용하기가 어렵다.)

-. 무부하전압을 얻기 위한 해석적 방법으로 기기의 회로정수 값들과 자화곡선으로부터

결정한다.

자화곡선은 자기포화, 보상권선이 없는 경우는 전기자반작용에 의한 감자효과,

복권전동기의 경우 직권계자기자력에 의한 효과를 고려하기위해 사용된다.

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527P

보상권선이 있는 타여자 분권발전기-. 보극 및 보상권선이 있는 타여자분권발전기를 정격강태에서 운전, 정격부하에

에너지를 공급하고 있다.

-. 보상권선으로 전기자반작용을 제거(역기전력은 부하스위치 개방시출력단의 전압)

-. 타여자발전기에서 보상권선이 있는경우에는

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528P

보상권선이 없는 타여자 분권발전기

발전기가 보상권선이 없다면

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528P

-. 위식은 전기자반작용과 자기포화를 전혀 고려하지 않고 있으며

부하스위치가 개방되었을 때, 전기자전류는 0이고, 무부하전압(Vn1)은 계자기자력(Tf)

만에 의한 값이 된다.

-. 부하스위치가 투입되면

등가감자기자력(Td)처럼 전기자반작용에 의한 감자효과는 자속의 감소를 초래한다.

-. 결과적으로

유기기전력 (Ea)는 낮아진다.

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530P

12.8 복권발전기-. 복권발전기의 구조는 복권전동기와 동일하다(직권계자와 분권계자를 갖는다.)

-. 분권계자는 내분권(short shunt), 외분권(long shunt)으로 접속

-. 내분권 접속은

직권계자에 의한 약간의 전압강하를 피할 수 있으므로 발전기에서 선호

계산의 단순화를 위해서 자여자발전기에서는 외분권으로 가정한다.

-. 외분권, 내분권 모두 수치적인 해석결과는 거의 같으며

특히, 자화곡선을 고려하여 그래프를 이용한 경우에는 더욱 그러하다.

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531P

복권발전기의 직권계자는 화동(cumulative) 또는 차동(differential)으로 결선

직권계자기자력(화동으로 가정) 및 전기자반작용에 의한 등가감자기자력을 포함하면

Td는 전기자전류에 비례하는 것으로 가정

보상권선이 사용된다면 Td = 0 이다

전기자전류가 일정할 때

직권계자에 의한 유기기전력의 증가는 복권(compounding)의 양에 의하여 결정

직권계자의 권수를 늘리면 같은 부하전류에 대하여 높은 유기기전력 발생

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531P

평복권(flat compounded)기기전기자저항 및 전기자반작용에 의한 전압강하분을 보상할 만한 권수를 추가하여

단자전압이 전부하, 무부하일 때나 동일한 경우(송전선의 길이가 짧고, 부하에 따른

전압의 변화가 없어야 할 때)

과복권(over-compounded)평복권기기에 필요한 최소권수보다 많은 권수를 감아서

단자전압이 부하전류가 증가함에 따라 증가하는

부족복권(under-compounded)최소권수보다 더 적게 권수가 되어 있는경우(병렬운전할 때 안정적이다)

직권계자가 차동결선되어 있는 경우직권계자에 의한 기자력은 음이 되고 전기자전류가 증가함에 따라 자속이 줄어 들고

발전되는 유기기전력은 감소하게 된다.(원천적인 과부하보호용으로 단락 발생 시 충

분히 전압이 강하하여 전류를 안전한 값으로 제한해 준다)

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532P

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535P

12.9 직권계자 분류기

복권효과의 정도는

-. 직권계자코일에 흐르는 전기자전류의 일부를 분류시킴으로써 줄여둘 수 있다.

-. 디버터(diverter), 직권계자 분류기(series-field shunt)라 불리는 저항기를

직권계자코일에 병렬로 연결한다.

-. 분류기는 니크롬이나 저항물질로 이루어지고, 발전기의 모체 바깥쪽에 설치한다.

-. 갑작스런 중부하의 요동이 있는 발전기의 경우

적층된 철심에 권선을 함으로써 유도성이 되어야 한다.

-. 분류기가 비유도성으로 저항값이 직권계자의 저항값과 같은 경우

비유도성인 분류기는 직권계자에 비해 부하전류의 변화에 따라 더 빨리 반응하여

갑작스러운 중부하가 발전기에 인가되면, 직권계자의 전류의 변화가 지연되어

발전기의 기전력확립이 지연된다.

-. 분류기가 최적의 성능을 발휘하기 위해서는 빠르게 변화하는 부하에 대해 분류기는

직권계자의 유도성시정수와 같은 값의 유도성시정수를 갖도록 설계되어야 한다.

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534P

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534P

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536P

12.10 속도의 분권 효과발전기의 속도는 분권효과의 정도에 현저한 영향을 준다.

-. 직권계자에 의한 자속은 기전력을 발생시킬 때

운전속도가 높을수록 더 큰 영향력을 준다.

분권계자의 가감저항기를 조정하여 다른속도에서 같은 출력전압을 공급할 수 있지만

직권계자력은 부하전류의 함수이고, 가감저항기를 사용하여 조정할 수 없다.

평복권발전기는

정격속도 이상에서는 마치 과복권발전기와 유사하며, 정격속도이하에서는 부족복권

발전기와 같이 동작하게 된다.

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536P

12.10 직류발전기의 병렬운전발전계통에서 요구되는 전력량이 안정적으로 제공할 수 있는 양을 넘어서면

추가적인 부하를 분담하기위해 발전기가 추가 투입된다.

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536P

-. GEN B가 모선에 연결되어 있는 상태에서

GEN A를 투입하여 병렬운전하는 형태이다.

-. 단로스위치는 시험, 유지, 보수의 목적을 위하여 모선으로부터 차단기를 분리할수

있도록 해준다.

새로 설치된 기기나 수리를 위해 분리되었던 기기를 병렬운전하기 위해서는

-. 극성검사를 하여, 투입되는 발전기의 양(+)극 단자가 모선의 양(+)극 단자에 접속

-. 간단한 극성검사는 직류전압계로 차단기의 상단단자와 하단단자사이를 검사하여

연결될 닺ㄴ자끼리는 같은 극성을 나타내어야 한다.

-. 반대방향 극성을 연결하는 것은 발전기의 양단을 단락시키는 것과 같으며

브러시와 정류자를 파손하거나 플랜트의 정전을 초래한다.

-. 단락으로 인한 큰 고장전류(fault current)에 의하여 모선으로부터 트립된 발전기는

차단기를 다시 투입하기 전에 반드시 극성의 반전여부를 검사해야 한다.

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537P

병렬운전순서

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537P

12.12 직류발전기의 계자가감저항기의 조정이 부하-전압 특성에

미치는 영향

-. 부하–전압특성곡선에서 보통 직선으로 그리지만, 실제의 특성은 약간 곡선에 가깝다.

-. 부하의 증가에 따라 전압이 떨어지는 수하특성(drooping characteristic)은

다른 기기와 병렬운전할 때 안정적인 운전을 돕는다.

-. 분권계자의 가감저항기를 조정하여 발전기의 무부하전압을 높이거나 낯출 수 있지만

전압의 감소량은 바꿀 수 없다.

-. 그림의 파선은 서로 다른 무부하전압설정치이며

분권계자 가감저항기의 특정한 무부하전압 설정상태에서 수하특성이 있는

직류발전기는 주어진 출력전압에 대하여 오직 한 개의 부하전류값만을 가진다.

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538P

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538P

12.13 병렬운전하는 직류발전기들간의 투입되는 모선부하의 분담

병렬운전되는 직류발전기들이 부하를 분담하는 양은

-. 각 발전기의 수하특성에 의하여 결정되며 인위적인 변화는 될 수 없다.

모선부하의 증가는 내부전압강하를 증가시키고, 모선전압을 감소시킨다.

-. 전압감소가 적은 발전기가 모선부하 등가량의 많은 부분을 담당하게 된다.

모선부하의 감소는 내부전압강하를 감소하고 모선전압을 증가시킨다.

부하가 증가, 감소에 따라 전압감소가 작은 발전기가 모선부하의 변화량의 많은 부분을

분담한다.

최적운전을 위해 병렬운전하고 있는 발전기들은 같은 전압변동률을 가져야 한다.

운전의 안전성을 위하여 조속기의 조정, 전기적설계로 전압변동률은 3%에서 8% 사

이에 있어야 한다.

전력정격이 다르더라도 전압변동률이 같은 기기들이 병렬운전될 때는

추가되는 어떠한 모선부하에 대해서도 각각의 전력정격에 비례하는 양의 부하를

담당하게 된다.

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539P

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539P

전압이 강하하면(전류증가GEN A의 전류증가GEN B의 전류감소

전압이 증가하면(전류감소)GEN B의 전류증가GEN A의 전류감소

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540P

12.14 병렬운전되는 직류발전기 사이의 부하분담 문제를 풀기위한

도구로서의 특성삼각형-. 병렬운전되고 있는 직류발전기 사이의 부하분담에 관련된 문제의 풀이는

각 기기의 특성삼각형(characteristic triangle)을 정의하고 해를 결정하기 위해

닮은 꼴의 삼각형을 사용하여 계산이 가능하다.

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540P

-. 전압수하특성에서 특성삼각형은 일정하며, 계자 가감저항기의 설정에 무관하다

(모선전압은 발전기의 단자전압 즉, 출력전압이다)

-. 모선부하의 증가는 모선전압의 감소를 가져오고, 부하-전압 특성과 새로운 전압선과

의 교차점은 특성삼각형과 닮은 꼴의 새로운 삼각형을 만든다.

-. 닮은꼴의 삼각형들간의 기하학적 관계로부터

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540P

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544P

12.15 병렬운전하고 있는 직류발전기 사이의 부하전달

발전기 사이의 모선부하의 전달은 계자 가감저항기를 이용하여 각 발전기의 무부하전압

설정을 바꿈으로써 간단히 이루어진다.

부하를 더 취하고자 하는 발전기의 계자가감저항기를 전압상승방향으로 돌리면 된다.

부하를 덜 취하고자 하는 발전기의 계자가감저항기를 전압강하방향으로 돌리면 된다.

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545P

부하-전압특성이 동일한 분권발전기의 부하분담

-. 발전기A는 240V에서 200A의 부하를 분담한다.

-. 발전기B는 막 병렬로 투입된 상태로 부하는 부담하고 있지 않다.

-. 발전기A로부터 발전기B로 부하를 옮기면서 전압을 유지하기 위해서는

-. 두 발전기의 계자가감저항기를 모두 조정하여야 한다.

80A를 발전기A로부터 발전기B로 전달한다고 가정할 때

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545P

-. 이동시킬 전류의 절반인 40A의 부하가 이동할 때까지 발전기B의 계자가감저항기를

조정하여 계자전류를 증가한다(발전기B의 무부하전압설정치, 특성곡선전체가 상승)

B2의 점에서 공급

-. 모선전압은 약간 높은 전압인 V2의 전압으로 되고, 발전기A의 특성곡선은 새로운

전압선과 A2의 160A 교차점에서 공급

-. 발전기A의 가감저항기로 여자전류를 감소하여 발전기A의 특성은 낮아지고 시스템의

전압은 원래의 240V로 회복한다(A3, 120A), B발전기는 (B2, 80A)로 회복한다.

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546P

12.13 병렬운전하는 복권발전기복권발전기가 성공적으로 병렬운전되기 위해서는

직권계자를 병렬(균압결선(equalizer connection))로 할 필요가 있다.

균압결선이 없는 경우계자가감저항기를 조정하여 약간의 부하를 어느 한쪽으로 옮기려하면 부하 전체가

여자가 큰쪽으로 몰리고, 동시에 다른쪽의 발전기는 전동기로 동작하는 상태가 된다.

-. 부하가 약간 증가한 발전기의 직권계자는 강해지고,

약간 감소한 발전기의 직권계자는 약해진다

-. 증가한 발전기는 유기기전력이 증가하고, 감소한 발전기는 감소하여 부하의 전달이

추가로 발생하고 이런현상이 반복된다.

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균압선이 없는 상태에서 복권발전기가 전동기로 동작하게 되면-. 직권계자의 전류방향이 반대가 되어 차동복권전동기로 동작한다.

-. 전동기로 동작하는 발전기가 모선으로부터 즉시 분리되지 않으면

직권계자기자력은 분권계자기자력보다 커지게되고, 잔류자속의 극성이 바뀐다.

(기기가 재시동 할 때에는 전압의 극성이 반대로 확립된다)

균압모선이 설치된다면사고 또는 의도적으로 복권발전기를 전동기로 동작하여도

극성반전이 일어나지 않는다.

각각의 균압모선의 저항값(접속부를 포함)은병렬로 운전하는 기기들 중 가장 작은 직권계자저항의 20%를 넘어서는 안된다.

병렬운전하는 발전기의 직권계자는 각 직권계자저항값의 대략적인 역수에 비례하여

총모선전류를 분담하게 된다.

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547P

12.17 역전류차단(reverse-current trip)역전류차단은 전동기동작이 지속되는 것을 방지