【전기산업기사】 전기기기 2강. 동기기

전기기기 2강. 동기기

 

추천글 : 【전기산업기사】 전기기기 목차

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1. 동기 발전기의 원리 [본문]

2. 동기 발전기의 분류 [본문]

3. 여자기 [본문]

4. 전기자 권선법 [본문]

5. 유기 기전력 [본문]

6. 동기 발전기의 출력 [본문]

7. 전기자 반작용 [본문]

8. 동기 발전기의 특성 [본문]

9. 동기 발전기의 병렬 운전 [본문]

10. 동기 발전기의 안정도 [본문]

11. 동기 전동기 [본문]

12. 시험 및 측정 [본문]

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1. 동기 발전기의 원리 [목차]

⑴ 직류 발전기처럼 플레밍의 오른손법칙에 따라 기전력 유기

⑵ 동기 속도 ns = 2f / p (rps) 

① 극수가 2일 때 n_s = f임을 상기 

 

 

2. 동기 발전기의 분류 [목차]

⑴ 회전자에 의한 분류

① (참고) 자극을 형성하는 것 : 계자 철심

② 회전 계자형 : 전기자를 고정자로 하고 계자극을 회전자로 하는 것

○ 이유 1. 전기자 권선은 전압이 높고 결선이 복잡

○ 이유 2. 계자극은 기계적으로 튼튼하게 만드는 데 용이

○ 이유 3. 고장시 과도 안정도를 높이기 위하여 회전자의 관성을 크게 하기 쉬움

③ 회전 전기자형 : 계자극을 고정자로 한 것

④ 유도자형 : 계자극과 전기자를 함께 고정시키고 그 중앙에 유도자라고 하는 권선이 없는 회전자를 갖춘 것

○ 수백 ~ 수만 Hz 정도의 고주파 발전기로 사용 

⑵ 원동기에 의한 분류 : 수차 발전기, 터빈 발전기, 엔진 발전기

⑶ 냉각 방식에 의한 분류

① 수소 냉각 발전기

○ 장점 : 비중 ↓, 풍손 ↓, 열전도성 ↑, 절연물 수명 ↑, 대류율 ↑, 소음 ↓

○ 단점 : 폭발 위험

 

 

3. 여자기(exciter) [목차]

⑴ 여자기 : 동기 발전기의 계자 권선에 여자 전류를 공급하는 장치

⑵ 여자 방식 : 직류 여자기, 정류기 여자기, 브러시레스 여자기

⑶ 여자기 용량 : 대용량기 - 0.5 ~ 0.7 %. 중용량기 - 1 %. 소용량기 - 1.5 %

 

 

4. 전기자 권선법 [목차]

⑴ 집중권과 분포권

① 집중권 : 1극, 1상의 코일이 차지하는 슬롯수가 1개인 것

② 분포권 : 1극, 1상의 코일이 차지하는 슬롯수가 2개 이상인 것

○ 장점 : 기전력의 파형↑, 권선의 누설리액턴스↓, 과열↓

○ 단점 : 합성 유기 기전력↓

③ 기본파 분포권 계수 Kd 

○ m : 상수

○ q : 매극, 매상의 슬롯수

 

 

④ n차 고조파 분포권 계수 Kd 

 

 

⑤ 매극 매상당 슬롯수 q = 총 슬롯수 ÷ (상수 × 극수)

⑥ 총 코일 수 = (총 슬롯수 × 층수) ÷ 2

⑵ 전절권과 단절권

① 전절권 : 코일 간격이 극 간격과 같은 것

② 단절권 

○ 장점 : 코일 간격 < 극 간격, 고조파를 개선하여 기전력 파형↑, 기계 길이↓, 자기인덕턴스↓

○ 단점 : 합성 유기 기전력↓

○ 기본파 단절권 계수 Kp 

○ β := 권선 피치 / 자극 피치

 

 

○ 권선 피치 / 자극 피치 = 코일 간격 / 극 간격, 극 간격 = 총 슬롯 수 / 극수

○ n차 고조파 단절권 계수 Kp 

○ β := 권선 피치 / 자극 피치

 

 

⑶ 중권, 파권, 쇄권 : 동기기에서는 주로 중권이 사용

⑷ 단층권과 2층권

① 단층권 : 1개의 슬롯에 코일변 1개를 넣은 것

② 2층권 : 1개의 슬롯에 코일변 2개를 넣은 것

⑸ 권선 계수 Kw = Kd × Kp

⑹ 전기지 권선을 Y 결선으로 하는 이유

① 중점을 접지할 수 있으므로 권선 보호 장치의 시설이 용이

② 권선의 불평형 및 제3고조파에 의한 순환전류가흐르지 않음

③ 상전압이 선간전압보다 √3배 더 작으므로 코일의 절연이 용이

 

 

5. 유기 기전력 [목차]

⑴ 1개의 도체에 유기되는 기전력의 순시치 e

 

 

⑵ 기전력의 평균치 Emean 

 

 

⑶ 실효치 E = 파형률 × Emean = 2.22Φf

⑷ 권수 W에 유기되는 전압 E = 코일변수 2W에 유기되는 전압 = 4.44KwfWΦ

⑸ 발전기 단자 전압 V = √3E

⑹ 동기 발전기의 기전력 파형을 정현파로 하기 위한 방법

① 매극 매상의 슬롯수↑

② 단절권 및 분포권 채용

③ 전기자 철심을 사슬롯(Skewed Slot)으로 함

④ 공극의 길이↑

 

 

6. 동기 발전기의 출력 [목차]

⑴ 비돌극기(원통형)의 출력

① 단상 발전기의 p 

 

 

② 3상 발전기의 p 

 

 

⑵ 돌극기의 출력 

① 최대 풀력이 부하각 δ ≃ 60˚에서 발생

② 전기자 반작용 및 자속수가 역률의 영향을 받음

 

 

7. 전기자 반작용 [목차]

⑴ 저항 

① 역률 1

② Ia와 E가 동상인 경우

③ 교차 자화 작용 (횡축 반작용)

⑵ 유도성 부하 

① 뒤진 역률 0

② Ia가 E보다 π/2 뒤지는 경우

③ 감자 작용 (직축 반작용)

⑶ 용량성 부하 

① 앞선 역률 0

② Ia가 E보다 π/2 앞서는 경우

③ 증자 작용 (자화 작용)

 

 

8. 동기 발전기의 특성 [목차]

⑴ 무부하 포화곡선

⑵ 3상 단락곡선과 단락비

① 단락비 (Short Circuit Ratio) Ks = 100 / %Zs

○ 터빈 발전기 : 0.6 ~ 1.0

○ 수차 발전기 : 0.9 ~ 1.2

② 철기계의 특징 : 단락비↑, 계자 기자력↑, 기계 중량↑, 가격↑

③ 동기계의 특징 : 단락비↓, 전기자 반작용↑, 기계 중량↓, 가격↓

④ 단락비↑ → 동기 임피던스↓ → 전압감소↓ → 전압변동률↓, 이상전압 ↓

⑶ 동기 임피던스 Zs 

 

 

⑷ %동기 임피던스 %Zs 

 

 

⑸ 전압변동률 ε 

 

 

① V0 : 무부하전압, Vn : 정격전압

② 유도 부하의 경우 ε > 0, 용량 부하의 경우 ε < 0

⑹ 자기 여자 방지 : 발전기의 단락비를 크게 함

 

 

9. 동기 발전기의 병렬 운전 [목차]

⑴ 발전기의 병렬 운전 조건 : 기본적으로 병렬연결이므로 양단의 전압이 같아야 함을 상기

① 기전력의 크기, 위상, 주파수, 파형이 같을 것

② 3상 동기 발전기의 병렬 운전 시 상회전 방향이 같아야 함

⑵ 병렬 운전 조건 불만족시의 현상

① 기전력의 크기가 같지 않은 경우 : 여자의 변화

○ Ic 만큼의 무효 순환 전류가 흐름 (대체로 90˚에 가까운 지상 전류)

 

 

○ A, B 두 대의 발전기가 병렬 운전 중에 A기의 여자를 증대하면 A기의 역률↓, B기의 역률↑

○ A기의 역률↓의 이유 : A기에 지상 전류가 흐르기 때문

○ B기의 역률↑의 이유 : B기에 진상 전류가 흐르기 때문

② 기전력의 위상이 다른 경우

○ 동기화 전류가 흘러 위상을 동일하게 한다.

○ 동기화 전류 Is 

 

 

○ 수수전력 Ps 

 

 

③ 기전력의 주파수가 다른 경우 : 고조파 무효 순환 전류가 흐름

④ 기전력의 파형이 다른 경우 : 고조파 무효 순환 전류가 흐름

⑶ 원동기에 필요한 조건

⑷ 동기 발전기 병렬 운전 시 서로 같지 않아도 되는 사항

⑸ 부하의 분담

 

 

10. 동기 발전기의 안정도 [목차]

⑴ 정태 안정도

⑵ 동태 안정도

⑶ 과도 안정도

⑷ 안정도 향상 대책

① 동기 임피던스를 작게 함

② 속응 여자 방식 채택

③ 관성모멘트↑

④ 정상 임피던스는 작고, 영상 임피던스와 역상 임피던스는 크게 함

⑤ 단락비를 크게 함

⑥ 동기 탈조 계전기 사용

 

 

11. 동기 전동기 [목차]

⑴ 토크

⑵ 위상 특성 곡선 (V 곡선)

① V 곡선에서 역률이 1인 경우 전기자 전류가 최소가 됨

② V 곡선에서 여자 전류의 변화로 전기자 전류와 역률의 변화가 생김

⑶ 동기 전동기의 기동

① 기동 토크

② 인입 토크

③ 동기 인입 조건

④ 탈출 토크

⑤ 전기자 반작용 (위 참고)

⑷ 동기 전동기의 특징

① 장점 : (계자 전류를 조절하여 역률을 조절함으로써) 항상 역률 1로 운전할 수 있음, 유도 전동기에 비해 효율↑

② 단점 : 기동 토크↓, 난조, 설비비↑

③ 용도 : 저속도 대용량 - 압축기, 동기 조상기, 소용량 - 시계, 오실로스코프

⑸ 동기기의 입력과 출력

 

 

12. 시험 및 측정 [목차]

⑴ 철손, 기계손 : 무부하 시험으로 측정

⑵ 동기 임피던스, 동기 리액턴스 : 단락 시험으로 측정

⑶ 단락비 : 무부하 시험, 단락 시험 

① 단락비 := ( 단락 전류 / 정격 전류 ) × 100 (%) = 100 / %Z

② 팁. 단락비를 구할 때 단락 전류와 정격 전류를 구해야 하므로 2회 이상의 시험이 필요

 

입력: 2018.02.18 09:01

수정: 2020.03.12 18:58