▣ 발전기의 유기기전력은 극의 위치에 따라 결정되고
- 계자 (Field Magnetic), 전기자 (Amateur), 정류자 등으로 이루어짐
- 기자력은 코일에 흐르는 전류[A]와 코일을 감은 회수(N)에 의해 결정된다.
- 전기자 : 자속을 끊어서 기전력을 발생시키는 것
- 전기자 구조 : 철심 + 권선
권선 : 코일변 (자속을 끊어주는 부분) + 코일단 (자속을 끊어주지 못하는 부분)
도체 누설리액턴스
- 브러쉬 : 외부부하와 연결하는 부분 : 압력 : 0.15~0.25[kg/㎠]
위치는 중성축에 둔다.
⊙ 코일
- 전기자 권선 1개 = 도체 2개
코일 2개 = 도체 4개
홈 : 슬롯
< 자기회로>
자기회로 : 자속(φ)이 지나는 회로 : 철심
자기회로 철심에서도 자기저항에 의한 전력손실이 발생한다.
자기회로에서 발생하는 전력손실을 철손이라 한다.
철손 - 히스테리시스손
- 와류손
- 철심
- 규소함유 이유 : 1~1.5% 함유 : 히스테리시스손 저감
- 성층철심을 사용하는 이유 : 와류손 감소
얇은 강판 두께 : 0.35~0.5[㎜]
▣ 외부특성곡선 (직류기-발전기)
⊙ 회전수(N)와 계자전류(If)가 일정할 때
- 부하의 증가(부하전류 I ↑)에 따른 단자전압 (V)의 변화곡선
▣ 계자권선의 저항
Rf : 분권계자 권선저항
Rs : 직권 계자 권선 저항
▣ 부하분담 조정 : 계자저하을 조정하여 부하를 분담한다.
▣ 발전기의 병렬 운전 조건
① 극성이 같을 것
② 단자전압이 일치할 것
⇒ 부하전압 = 단자전압
③ 용량은 임의의 값일 것
④ %I(퍼센트부하전류)가 일치할 것
- %I = I/P 용량에 대한 전류비가 일치할 것
※ 각 발전기의 부하분담비가 같을 것
⑤ 외부특성이 수하특성일 것
※ 수하특성 : 전류가 증가하면 단자전압이 낮아지는 특성
※ 직권발전기를 병렬 운전하려면 균압선을 설치해야 한다.
▣ 직류전동기의 역회전 방법
Ia, If 중 전원선중에 하나의 방향을 반대로 연결한다.
▣ 모터에서 힘은 회전력이고 토크이다.
힘 = 회전력 = 토크 (τ)
▣ 전동기의 출력
▣ 전동기의 기동
① 기동 : 정지해 있는 전동기를 움직이기 시작하는 것
거의 정지시
② (기동) 토크식 : τ = Kφ Ia
기동할 때는 자속을 높여서 기동토크를 크게 한다.
▣ 전동기의 속도 특성
▣ 속도특성곡선 (N - I 곡선) - 속도제어
⊙ 전압제어
① 단자전압(V)을 조정
② 효율이 좋고 광범위한 속도제어 가능
③ 가변 전압원을 이용하여 정토크 제어 가능
※ 종류 : 워드네오너드 방식, 일그너 방식
⊙ 계자제어 φ변화 ⇒ 속도제어
① 효율이 나쁘다.
② 정출력 제어가 가능하다.
▣ 동기발전기 : 속도와 주파수가 일정한 기기
▣ 전기자 권선을 Y결선하는 이유
⊙ Y결선의 중성점을 접지할 수 있어서 이상전압 방지
⊙ 선간전압은 √3 E 이므로 고전압에 유리하다.
⊙ 상전압이 선간전압의 1/√3로 코로나 및 열화 방지
* 열화 : 기능저하, 특성변화 등
코로나 임계전압 21[kV/㎠]
⊙ 중성점 비접지시 : 제3고조파를 제거하여 파형을 개선할 수 있다.
- 중성점을 접지하지 않으면 제3고조파를 개선할 수 있다.
※ 고조파 : 기본파 (f=Hz)의 n배 주파수
- 3고조파 : 60[Hz] × 3배 = 180[Hz]
- 5고조파 : 60[Hz] × 5배 = 300[Hz]
▣ 동기발전기 구조
1) 고정자
2) 회전자
3) 직류 여자기 ⇒ 자속(φ)을 발생
※ 동기발전기는 주파수, 회전속도가 같아야 하므로
직류여자기를 써야 한다.
▣ 회전계자를 사용하는 이유
1) 회전계자를 사용하는 것이 기계적으로 튼튼하다.
2) 전기자는 고전압으로 결선이 복잡하다.
3) 계자는 직류 저전압(100~250[V])로 소요전력이 작다.
4) 고전압인 전기자가 고정되어 있어 절연하기가 용이하다.
<동기속도 Ns > - 동기속도와 주변속도
▣ 인덕턴스란 무엇인가?
인덕턴스는 비례상수이다.
따라서 코일을 많이 감으면 리엑턴스가 많아진다.
인덕턴스가 크다는 것은 전선에 전류가 흘렀을 때
그 주변에 자속이 많이 발생한다.
▣ 전자유도 법칙
1) 페러데이법칙
⊙ 전자유도에 의하여 발생된 기전력의 크기 법칙으로 코일내부에서
자속의 변화가 생기면 자속의 변화에 비례하여 기전력이 발생
자속의 변화에 비례하여 기전력이 발생한다.
기전력은 자속의 변화에 기인한다.
▣ 인덕턴스란 무엇인가?
⊙ 집중권 : 매극 매상의 코일을 1개의 Slot 안에 집중해서 감는 방법
⊙ 분포권 : 매극매상의 코일을 2개 이상의 Slot에 분산하여 감는 방법
분포권 계수 : 0.96
분포권 특징 - 고조파 개선, 파형개선
- 누설리엑턴스 감소
누설리엑턴스는
▣ 동기발전기 : 기전력 긐기
수차발전기는 터빈발전기 보다 단락비가 크다.
⊙ 전기자 반작용은 부하상태에서만 발생
⊙ 단락의 정의 : 임피던스가 최소인 상태
⊙ 단락전류 : 전로 선간에 임피던스가 최소인 상태로 접촉되었을 때 그 부분을
통하여 흐르는 큰 전류
⊙ 단락전후 : 전원 전압은 변하지 않는다.
⊙ 단락전류의 크기는 전원전압의 크기에 의해서 결정된다.
⊙ 단락전류는 단락지점까지만 흐른다.
▣ 동기발전기 출력
E = V + I · Zs
<출력 정리>
▣ %Z : 퍼센트 임피던스 : 정격전압(E)에 대한 임피던스 전압강하(In ·Zs)의 비
[%Z 퍼센트 임피던스]
[단락전류]
[동기임피던스]
▣ 단락비의 다른 특성
⊙ 단락비가 크다 ⇒ 철기계다.
① %Z 퍼센트임피던스가 작다.
② Zs 동기임피던스가 작다.
③ 전압강하가 작다 (임피던스 전압강하 = In Zs)
④ 전압변동률이 작다.
⑤ 전기자 반작용이 작다. Zs ≒ xs = (Xa + Xl)
⑥ 공극이 크다.
⑦ 규모가 커진다. 철손이 크다
⑧ 중량이 무거워진다.
⑨ 철기계 가격이 비싸다.
⑩ 안정도가 좋다.
⑪ 과부하내량이 크다.
▣ 동기발전기 병렬운전
⊙ 병렬운전 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
(1) 기전력의 크기가 다를 경우 : 무효순환전류(=무효 횡류)가 흐른다.
위 그림에서 A, B 발전기의 기전력의 크기가 다를 경우
순환전류에 대하여 알아 보기 위해서는 두 발전기만 있다고 가정하고
회로를 분석한다.
두 발전기가 폐회로를 구성한다고 하면, Ea, Eb간에 기전력에 차이가 발생하면
전압차에 의하여 전류가 흐르게 되는데 이 때 무효순환전류 Ic가 흐르게 된다.
기전력의 크기는
동기발전기가 병렬운전할 때 왜 기전력의 차이가 발생하는 걸까?
동기발전기의 기전력은
따라서 동기발전기가 병렬운전할 때 기전력의 크기가 달라지는 경우에는
자속이 변해서 그런 것이고 자속을 변할려면 계자전류가 변했기 때문이다.
결론적으로 기전력의 크기는 계자전류가 변해서 차이가 발생하는 것이다.
이 때 무효횡류 전류 Ic를 벡터로 표시하면 아래 그림과 같다.
정상적인 병렬운전 조건에서는 A발전기와 B발전기의 기전력은 같다.(Ea=Eb)
또한 각 발전기의 전류는 기전력보다 위상이 늦은 Ia, Ib로 나타낼 수 있다.
그런데 어떤 조건에 의해 A발전기의 기전력이 커지면 기전력은 Ea +(Ea-Eb)가 된다.
발전기는 코일성분, 인덕턴스 성분이 많으므로 증가된 기전력에 의해 발생하는
전류 Ic는 기전력(Ea-Eb)보다 위상이 90˚ 늦게 된다. Ic는 평행 이동할 수 있다.
Ic에 의하여 각 발전기에 흐르는 전류는 Ia는 Ia' (Ia +Ic)로, Ib는 Ib'로 (Ib+Ic)가
된다. Ia'는 당초 Ia보다 위상이 더 늦어 지게 되고, Ib는 위상이 빨라지게 된다.
이와같이 기전력의 크기가 다른 경우 무효순환 전력에 의해서 기전력이 큰 쪽은
더 늦은 지상전류가 흐르게 되고, 기전력이 작은 쪽은 위상이 빨라지게 된다.
이와 같이 계자전류가 증가하면 역률이 떨어지고 상대 발전기는 역률 증가한다.
따라서 Ga 발전기의 계자전류 If가 자속이 증가하고 역률 cosΘ는 감소한다.
반면 Gb 발전기는 자속이 감소하고 역률 cosΘ는 증가한다.
계자전류 If ↑ Ga 발전기 ⇒ φ ↑ ⇒ cosΘ ↓
Gb 발전기 ⇒ φ ↓ ⇒ cosΘ ↑
(2) 기전력의 크기는 같으나 위상이 다른 경우 : 동기화 전류(유효횡류)가 흐른다.
2대의 발전기간 위상차가 있는 경우에는 위 그림과 같이 a상과 b상의 같은 시점에서
기전력이 다르 듯이 기전력의 최대값이 같더라도 위상이 다르면 각 발전기의 기전력의
순시값은 차이가 발생하여 기전력의 크기가 다른 상태와 같은 현상이 나타난다.
즉 아래 그림과 같이 위상이 다른 경우 각 시점마다 발전기간 위상차이로 기전력에
차이가 발생하고 발전기의 전압차이로 인하여 발전기간 순환전류 Ic가 흐르게 된다.
위상차로 인해 전압차가 발생하고 이 전압차이로 인해 두 발전기간에 순환전류가 흐르게
되는데 이 순환전류 Ic의 크기는 기전력의 크기가 다른 경우의 식으로 계산할 수 있다.
좀더 세밀한 순환전류를 구하기 위해서 벡터도를 그리면 다음과 같다.
왼쪽 그림에서 Ea와 Eb는 위상차에 의하여 Ea-Eb의 위상차에 의한 기전력이 발생하게
된다. 기전력 Ea-Eb는 Ea=Eb는 같기 때문에 Ea × 2 sin δ/2 또는 Ea × 2 sin δ/2가
된다. 따라서 이를 종합하여 순환전류 Ic를 구하게 되면 다음과 같다.
한편 위쪽 그림 왼편을 보면 위상차에 의한 기전력 Ea-Eb는 평행이동할 수 있다.
기전력 Ea-Eb에 의한 순환전류 Ic는 발전기의 L부하에 의하여 90˚ 뒤진 전류가 된다.
순환전류 Ic는 Ea보다는 뒤진 전류, Eb보다는 앞선 전류가 된다.
따라서 순환전류 Ic에 의하여 Ea는 뒤진 전류 ⇒ 부하 증가 ⇒ 속도감소 ⇒ 위상감소로
이러지고 Eb는 앞선전류 ⇒ 부하감소 ⇒ 속도 증가 ⇒위상 증가가 발생하여
위상차를 없애는 역할을 하게 된다.
한편 순환전류 Ic에 의하여 발전기 상호간에 전력을 주고 받게 되는데 이를 수수전력이라
한다. 수수전력은 다음과 같이 구할 수 있다.
수수전력 : 발전기 상호간 위상차 δ를 원상으로 복귀하기 위하여 발전기 상호간에 주고
받는 전력을 말한다.
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