[1] 발전의 원리 (발전기, 동기기, 유도기)
[2] 정류기 및 정류 작용 특성
[3] 직류 발전기의 종류 및 특징
[1] 직류 발전기의 원리
(1) 원리
1. 모든 발전기는 필수적으로 계자 권선과 전기자 권선이 있어야 발전이 가능하다.
- 계자 권선 : 자속(전기에너지의 원천이라고 할 수 있음)을 발생시키고 고정되어 있다.(고정자)
- 전기자 권선 : 전력을 생산하며 회전한다.(회전자)
2. 계자 권선에서 발생하는 자속[Wb]을 전기자 도체가 끊는다.
- 전기자 도체에 감겨있는 수많은 도체 중 1개만 고려해본다.
- 외부전원 및 잔류자기로 계자에 자속을 발생시킨다.
3. 전기자 도체(코일)가 회전하면 전자기유도현상(앙페르, 페러데이, 렌츠의 법칙)으로 자속의 변화율이 발생하여 유도기전력이 생겨 유도전류가 흐르게 된다. - 전기자의 회전 방향은 어떻게 결정되는가? (1-3)
4. 유도기전력이 발생하면 유도전류가 흐르게 되는데 이는 '플레밍의 오른손 법칙'에 따른다.
- 자속[B]과 힘의 운동 방향[F]에 의해 유도기전력(유도전류)[E,I]가 발생한다는 법칙
발전기, 전동기의 전자기 유도 현상 (플레밍의 오른손, 왼손 법칙)
발전기 1. 외부전원 또는 잔류자기로 철심에 자계를 생성한다. (왼쪽 → 오른쪽) 2. 회전자를 회전시킬 힘이 필요한데, 이 힘은 수차(수력발전), 증기를 이용한 터빈(화력발전) 등과 같이 유체의
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5. 전기자 도체가 회전할 때, 반주기마다 동일한 위치가 바뀌므로 교번 전류가 흘러 교류가 발생한다.
6. 정류자를 통해 코일의 방향과 관계없이 항상 일정한 방향의 직류로 바꾸어준다. (직류 발전 끝)
1-3. 초기의 회전 방향은 외부의 힘에 의해 정해진다. 수력발전기는 물의 힘으로 수차를 돌리고, 화력발전기는 증기의 힘으로 터빈을 돌려서 F의 방향은 고정된다.
(2) 구성 요소
1. 계자
- 계자 철심 : If 계자전류(여자전류)를 발생시킨다. (철→자석)
- 계자 권선 : Rf 계자저항
2. 전기자
- 전기자 철심 : 규소강판을 성층 철심으로 사용 (철손↓)
- 전기자 권선 : Ia 전기자전류, Ra 전기자저항
3. 정류자 - 교류를 직류로 변환(정류자 편)
4. 브러쉬 - 정류자에 접촉하여 내부회로와 외부회로를 연결
※ 공극 : 전기자와 계자 사이의 거리(공간)이고 자기저항이 매우 크다.
※ 공기, 진공일 경우, 투자율이 최소가 되므로 자기저항은 최대가 된다.
(3) 전기자 권선법
환상권 : 자속이 철심 내부로 뚫고 들어가지 못하여 기전력을 내지 못하고 수리가 불편하다.
개로권 : 기전력의 일부분만 전달가능하다.
단층권 : 이층권에 비해 기전력이 절반이다.
1. 파권
- 극수에 상관없이 브러쉬가 항상 +극, -극 끼리 연결되어 항상 2개의 병렬회로를 만드는 권선법이다.
- 고전압, 소전류에 유리하다. Ex. 4e / 2Ia (도체수 : 8, 병렬회로수 : 2)
2. 중권
- 브러쉬마다 전기자 회로가 각각 별도로 독립된 권선법으로 극수와 동일한 브러쉬 갯수가 필요하다.
- 저전압, 대전류에 유리하다. Ex. 2e / 4Ia (도체수 : 8, 병렬회로수 : 4)
| 구분 | 파권 | 중권 |
| 전기자 병렬 회로수(a) |
2개 | a=p |
| 브러쉬 갯수(b) | 2개 혹은 p | p (a=p=b) |
| 용도 | 고전압, 소전류 | 저전압, 대전류 |
| 균압환 | 필요없음 | 4극이상 |
균압환 : 공극의 불균일에 의한 순환전류가 흘러 발생하는 불꽃을 방지 및 발전기의 안정 운전을 위해 설치하는 공통 도체이다.
공극의 불균일 → 자기저항↑↓ → 자속↓↑ → 기전력↓↑ → 전위차 발생 → 순환전류 발생 → 고장
균압환과 회전자를 단락하여 순환전류를 소멸시킨다. (R=0)
[2] 직류발전기의 특성
(1) 직류발전기의 유기 기전력 : 플레밍의 오른손 법칙
- [m/s]로는 회전자의 속도를 구할 수 없어서 주변속도를 사용한다.
한 극당 자속이므로 총 자속은 극수 P를 곱해주어야한다. 또한 기전력은 직렬 도체 수만큼 발생하므로 그만큼을 곱해준다.
직렬도체수 : 총 도체수 z / 병렬회로수 a
변하지 않는 상수 값들(극수, 도체수, 병렬회로수)을 k로 다시 정의하면 다음과 같다.
(2) 정류자 편수와 정류자 편간 유기되는 전압
K = 정류자 편수 = 총 전기자 도체수 / 2
e = 정류자 편간 전압 = 총 전기자 유기 기전력 / 정류자 편수 = Ep / K
(3) 전기자 반작용
1. 정의 : 전기자전류에 의해서 생기는 자속이 계자권선에서 발생되는 주자속에 영향을 주어 자속이 일그러지면서 감소하는 현상이다.
위의 그림에서 가운데 점선을 기준으로 왼쪽은 전기자전류가 들어가는 방향, 오른쪽은 전기자전류가 나오는 방향이다. 하지만 각각 앙페르의 오른나사 법칙으로 전류를 기준으로 회전하는 자기장이 생성된다.
B 기준 위
1) X 전기자전류가 들어가는 왼쪽 위 부분의 자속은 계자의 자속과 더해져 강한 자속을 가진다.
2) O 전기자전류가 나오는 오른쪽 위 부분의 자속은 계자의 자속과 상쇄하여 약한 자속을 가진다.
B 기준 아래
1) X 전기자 전류가 들어가는 왼쪽 아래 부분의 자속은 계자의 자속과 상쇄하여 약한 자속을 가진다.
2) O 전기자 전류가 나오는 오른쪽 아래 부분의 자속은 계자의 자속과 더해야 강한 자속을 가진다.
회전 방향이 반대여서 전기자전류도 반대지만 상대적으로 강하고 약한 자속이 뒤섞어 자계가 일그러짐을 확인할 수 있다.
2. 전기자 반작용의 악영향
1) 자속이 감소하여 기전력, 단자전압이 감소하고 곧 출력이 감소한다.
2) 전기적 중성축이 이동한다.
- 발전기 : 회전 방향으로 이동
- 전동기 : 회전 반대 방향으로 이동
3) 정류자 편간 국부적인 불꽃 발생으로 정류 불량 및 브러쉬 손상이 일어난다.
4) 발전기의 전체적인 효율 저하가 발생한다.
sin값은 도체와 자기장이 이루는 각도를 나타낸다. 0과 180을 잇는 축을 중성축이라고 한다.
브러쉬와 중성축은 항상 같아야한다. 아니면 전압불평형으로 불꽃 발생 (정류에 악영향)
3. 방지 대책
1) 브러쉬를 중성축 이동 방향과 같게 한다.
2) 보상 권선 설치
- 계자극의 철심 부분에 홈을 파고 전기자 권선과 직렬 연결 (보상권선의 전류와 전기자전류가 직렬이어야 상쇄 가능)
- 대부분의 전기자 반작용을 상쇄 가능하다. (자속의 방향)
3) 보극 설치
- 계자극과 90˚ 위치의 빈 곳에 보극을 설치하여 전기자 권선과 직렬로 연결
- 중성축에서 발생되는 전기자 반작용을 상쇄하는데 효과가 우수하다. (자속과 수직인 방향)
(4) 직류발전기의 정류 작용
1. 정류곡선
1) 이상정류 : 이상적인 정류
2) 정현정류 : 양호한 정류
3) 부족정류 : 브러쉬 말단, 정류가 끝나는 지점(정류 말기)의 전류의 변화율이 크기 때문에 리액턴스 전압이 크게 유기되어 브러쉬 단락 상태가 된 정류자 편에 불꽃 발생
4) 과정류 : 브러쉬 앞단, 정류가 시작하는 지점(정류 초기)의 전류의 변화율이 크기 때문에 리액턴스 전압이 크게 유기되어 브러쉬 단락 상태가 된 정류자 편에 불꽃 발생
2. 리액턴스 전압(페러데이의 전자 유도 법칙)
직류발전기는 구조상 브러쉬와 접촉된 정류자 편이 이동하면서 전기자 코일의 전류의 방향이 바뀌게 된다.
- 직류 발전기의 원리 5
또한 전기자 코일은 유도성 소자이므로 전류의 급격한 변화를 막기 위해 전기자 코일에 리액턴스 역기전력이 발생한다.
전기자 코일에 급격한 전류 변화로 인해 리액턴스 전압이 크게 유기되면 브러쉬에 단락 상태가 된 정류자 편에는 불꽃이 발생하여 정류자 표면과 브러쉬를 손상시켜 브러쉬의 수명이 단축되고 정류를 방해하게 된다.
3. 양호한 정류 대책
1) 리액턴스 전압을 낮춘다. (브러쉬의 접촉 전압강하보다 낮게 한다.)
2) 보극을 설치하여 전압정류의 효과를 얻는다. (리액턴스 전압강하를 상쇄한다.)
3) 탄소 브러쉬를 사용하여 저항정류의 효과를 얻는다. (접촉저항이 크기 때문에 접촉이 잘되어 전류의 변화가 작다.)
4) 정류 주기를 길게 한다. (리액턴스 전압 낮아짐, 즉 회전자 속도 느려진다.)
※ 회전자 속도(정류속도)
※ 정류속도가 빨라지면 정류가 어려운 이유?
정류속도가 빨라지면 반비례관계로 인해 정류 주기가 짧아진다. 정류주기가 짧아지면 리액턴스 전압 상승
5) 단절권, 분포권 사용
6) 보상권선
[3] 직류 발전기의 종류
- 타여자 : 잔류자기 필요없음 (여자전류를 외부에서 공급받는다.)
- 자여자 : 잔류자기가 있어야만 발전이 가능하다.
(1) 타여자 발전기
1) 계자 회로가 독립되어 있으며, 전기자 회로와 분리되어 있다.
2) 계자에서 발생하는 자속이 부하화 상관없이 일정해서 정전압 특성을 가진다.
총 기전력[E] : 전압강하의 합계
E = V + IaRa +ea(전기자 반작용에 의한 전압강하) + eb(브러쉬에서의 전압강하) [V]
- ea, eb는 언급이 있을 때만 적용한다. (전기기사)
Ia = I = P / V [A] 출력P는 항상 부하측에서 발생하는 전력을 의미한다.
※ 실생활에서 사용 중인 부하들은 병렬연결로 되어있다. 부하마다 220V의 전압이 걸리고 부하마다 110Ω의 저항을 가진다고 가정하자.
- 1개의 부하일 경우 전류는 2A
- 2개의 부하일 경우 합성저항은 110/2 = 55Ω, 전류는 4A
- 4개의 부하일 경우 합성저항은 110/4 = 22.5Ω, 전류는 8A, 따라서 부하와 부하전류는 서로 비례한다.
3) 특징
1. 정전압 특성을 가진다. 계자 저항 Ra는 매우 미소한 값을 가지므로 E = V
2. 여자전류를 외부에서 공급받기 때문에 잔류자기가 필요없다.
3. 전기자의 회전방향이 반대가 되면 극성이 반대로 바뀐다.
4. 계자저항기를 설치할 경우, 광범위한 전압제어가 가능해진다.
- FR↑↓ → If↓↑ → 자속↓↑ → E↓↑
5. 대형 교류 발전기의 여자 전원용, 직류 전동기 속도 제어용 전원 등에 사용한다.
(2) 자여자 발전기
1) 분권 발전기 : 계자와 전기자가 병렬로 접속되어 있는 발전기이다.
- 전기자의 전류로 발전
총 기전력[E] : 전압강하의 합계
E = V + IaRa +ea(전기자 반작용에 의한 전압강하) + eb(브러쉬에서의 전압강하) [V]
- ea, eb는 언급이 있을 때만 적용한다. (전기기사)
Ia = I + If [A]
만약 잔류자기가 없다면 자속이 0이고 기전력도 0이므로 전기자전류가 없어서 발전이 불가능하다. 그래서 잔류자기가 필수로 존재해야한다. 미소한 크기의 자속이 있다면 기전력을 유기시키고 전기자전류를 발생시켜 다시 자속을 발생시킨다. 이러한 일련의 과정을 "전압확립"이라고 한다.
2) 특징
1. 타여자 발전기보다 부하에 의한 전압변동이 크다.
2. 여자 전류를 얻기 위해 잔류 자기가 필요하다.
3. 운전 중 회전 방향이 바뀌게 된다면, 잔류자기가 소멸하여 발전이 불가능하다.
4. 운전 중 계자 권선이 단선되면 고전압을 유기하여 절연이 파괴되므로 계자 측에 퓨즈를 설치하지 않는다.
5. 전기 화학용 축전지의 충전용 전원, 동기기의 여자용 전원으로 사용된다.
6. "무부하 운전 금지"
- 무부하 시 폐회로가 만들어진다. Rf가 매우 작기 때문에 전류의 크기는 매우 커진다.
- I = E / (Ra + Rf)
3) 직권 발전기 : 계자와 전기자가 직렬로 접속되어 연결
총 기전력[E] : 전압강하의 합계
E = V + Ia(Ra + Rf) +ea(전기자 반작용에 의한 전압강하) + eb(브러쉬에서의 전압강하) [V]
- ea, eb는 언급이 있을 때만 적용한다. (전기기사)
- 복권발전기에서는 직권과 분권 모두 사용하므로 계자저항의 혼동을 유발하기 때문에 Rs라고 표현한다.
Ia = I = Is = P / V [A]
4) 특징
1. 직렬회로이므로 부하에 따라 전압변동이 심하다.
2. 무부하 시 폐회로가 되지 않아(개방 상태) 여자되지 않으므로 발전이 불가능하다.
3. 선로의 전압 강하 보상용으로 승압기로 사용된다.
5) 복권 발전기 : 계자와 전기자가 직병렬로 접속되어 있는 발전기
- 가동 복권 발전기 : 직권 계자와 분권 계자의 자속이 더해진다.
- 차동 복권 발전기 : 직권 계자와 분권 계자의 자속이 상쇄된다. (수하 특성을 나타낸다.)
6) 특징
1. 수하 특성(정전류 특성) : 부하 전류 증가에 따라 직권 계자 권선의 자속이 분권 계자 자속을 억제하기 위해 유도기전력을 낮추어 일정한 전류를 공급하는 방식이다.
2. 복권에서 직권만 사용하고 싶으면 분권 개방, 분권만 사용하고 싶으면 직권 단락
3. 가동 복권 발전기는 차동 복권 전동기로 사용가능하며 차동 복권 발전기는 가동 복권 전동기로 사용가능하다.
4. 수하 특성을 이용한 용접용 발전기, 누설 변압기에 이용한다.
[4] 직류발전기의 병렬 운전과 특성 곡선
(1) 병렬 운전
1. 극성이 같을 것
2. 정격전압, 단자전압이 같을 것(다르면 전위차로 인해 발전기 내부로 순환전류가 흘러 발전기가 과열된다.)
3. 외부 특성이 수하 특성일 것(정전류)
4. 직권, 복권 발전기의 경우 균압선을 설치할 것(안정된 병렬운전)
- 만약 한쪽의 전류만 커진다면, 전류↑ → 자속↑ → 기전력[E]↑ → 단자,정격전압↑ → 부하전류↑ → 발전기 펑!
- 균압선을 설치하여 병렬운전할 시, 전류가 균등하게 흐르도록 해준다.
(2) 직류발전기의 특성 곡선(전기기사 시험 치는거면 이거 공부하지말고 다른거 더 공부 하셈)
1. 무부하 포화 곡선 : 정격속도, 무부하 시 계자전류 변화에 따른 유기기전력의 변화 특성 곡선
2. 부하 포화 곡선 : 정격속도, 전부하 시 계자전류 변화에 따른 유기기전력의 변화 특성 곡선
3. 외부 특성 곡선 : 정격속도, 부하 시 발전기의 종류에 따라 변화하는 V와 I의 관계 곡선
※ 발전기 종류별 외부 특성 곡선
- 공통 조건 : 전부하 시 부하 전류가 증가하면
1. 타여자, 분권, 차동 복권 발전기 : 전기자의 전압 강하도 증가하여 무부하 시보다 단자전압이 감소
2. 평복권 발전기 : 전부하 시, 무부하 시 관계없이 단자전압이 같은 특성을 가진다.
3. 직권, 과복권 발전기 : 직권 계자의 전류가 증가하여 단자 전압이 상승하는 특성이 있다.
해석 방법
- 각 발전기들의 V(단자전압, 정격전압), I(부하전류)의 식을 이용하여 부하전류(I)가 증가할 경우, 변화를 관찰한다.
Ex. 분권 발전기 해석
- V(정격전압) = E - IaRa, If = Ia - I(부하전류)
- 부하전류(I)가 증가하면 계자전류(If)는 감소한다.
- 계자전류(If)가 작아지면 자속 및 유기기전력(E)이 감소한다.
- 유기기전력(E)가 감소하면 정격전압(V) 또한 감소한다.
- 외부 특성 곡선을 확인해보면 분권 발전기의 경우 부하전류가 증가할수록 단자전압(V)이 감소함을 관찰할 수 있다.
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