개념 한 쪽
직류발전기의 유도 기전력은 극수·자속·도체수·회전수로 정해지고, 권선 방식이 병렬 회로 수를 가른다. 철심을 얇게 쌓고 표면을 절연하는 이유와, 부하 전류가 주 자속을 비트는 전기자 반작용, 브러시를 누르는 압력까지 한 묶음으로 묻는다.
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출제기준 단원 「직류발전기의 원리 등」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 기전력 공식 계산 | 1 | 권선 방식으로 병렬 회로 수를 정해 기전력을 구하기 |
| 전기자 반작용 대책 | 1 | 반작용을 상쇄하는 이상적 수단을 가리기 |
| 브러시 압력 수치 | 1 | 정류자 접촉에 알맞은 스프링 압력값을 고르기 |
직류발전기의 유도 기전력은 E = PΦZN/(60a)로 구한다. P는 극수, Φ는 매극 자속, Z는 전기자 도체 총수, N은 회전수, a는 전기자 병렬 회로 수다. 여기서 a는 권선 방식이 정한다. 단중 파권은 극수와 무관하게 a=2이고, 중권은 a=P다.
철심을 성층하는 이유는 와전류손을 줄이기 위해서다. 교류 자속이 철심을 통과하면 소용돌이 모양의 와전류가 생겨 열로 손실이 나는데, 규소강판을 얇게 겹쳐 쌓고 표면에 절연 피막을 입히면 판 사이로 전류가 흐르지 못해 와전류의 길이가 끊긴다. 히스테리시스손은 피막이 아니라 규소 첨가와 방향성 처리로 줄인다.
부하 전류가 흐르면 전기자에도 자속이 생겨 계자 자속을 왜곡하고 공극의 자속 분포를 바꾼다. 이것이 전기자 반작용이다. 대형기에서는 주극 극면에 보상권선을 넣어 전기자 자속을 직접 상쇄하는 것이 이상적이고, 보극은 정류 개선용이라 목적이 다르다. 브러시는 발전기에서 회전방향과 같은 쪽으로, 전동기에서는 반대 쪽으로 이동시킨다.
브러시는 스프링으로 정류자면에 눌려 접촉하는데, 적정 압력은 0.15~0.25 kg/cm²다. 너무 약하면 접촉 불량으로 스파크가 튀고 정류가 나빠지며, 너무 강하면 마찰로 브러시와 정류자가 빨리 닳는다. 재질은 접촉저항과 전류용량으로 용도가 갈린다. 금속 흑연질은 접촉저항이 낮아 저전압 대전류에, 전기 흑연질은 저항이 커 고전압 소전류에 맞는다.
비포화 영역에서는 자속이 여자전류에 비례한다. 회전수가 절반으로 줄 때 기전력을 그대로 유지하려면 자속을 두 배로 늘려야 하고, 비포화이므로 여자전류도 두 배가 된다.
기전력 계산 문제는 권선 방식부터 확정한다. 극수 10, 도체수 500, 매극 자속 0.01Wb, 600rpm인 단중 파권이면 a=2를 넣어 10×0.01×500×600÷120=250V가 된다. 파권에 a=P를 잘못 넣으면 50V가 나와 함정에 빠진다. 도체수 400, 10극, 0.02Wb, 1200rpm인 단중 파권도 a=2로 800V가 되고, 중권으로 착각해 a=10을 넣으면 160V가 되어 보기에 없는다.
전기자 주변속도는 v=πDN/60으로 구한다. 지름 0.1m, 1700rpm이면 3.14×0.1×1700÷60≈8.9m/s이고, 출력 1.5kW는 계산에 쓰이지 않는 조건이다.
성층하는 규소강판의 표면을 절연 피막처리 하는 이유로서 알맞는 것은?
정답 ③ · 문제는 성층 규소강판 표면에 절연 피막을 처리하는 이유를 묻는다. 성층과 표면 절연은 판과 판 사이의 도전 경로를 끊어 와전류가 흐르는 것을 방지함으로써 와전류 손실을 줄이기 위한 목적이다.
규소강판 표면 절연피막은 성층 판 사이의 와전류 경로를 끊어 와전류손을 줄이기 위한 것이다.
포화하고 있지 않은 직류 발전기의 회전수가 1/2로 감소되었을 때 기전력을 전과 같은 값으로 하자면 여자를 속도 변화 전에 비해 얼마로 해야 하는가?
정답 ③ · 비포화 직류 발전기에서 회전수 변화 시 기전력을 유지하기 위한 여자 전류의 배수를 묻는 문제이다. 발전기 기전력은 E ∝ Φn이고, 비포화 영역에서는 자속이 여자전류에 비례하므로 Φ ∝ If가 성립한다.
발전기 기전력은 E∝Φn이고 비포화 영역에서는 Φ∝If이므로, 회전수가 1/2이 될 때 같은 기전력을 유지하려면 여자전류를 2배로 해야 한다.
브러시 홀더(brush holder)는 브러시를 정류자면의 적당한 위치에서 스프링에 의하여 항상 일정한 압력으로 정류자 면에 접촉하여야 한다. 가장 적당한 압력은?
정답 ③ · 문제는 브러시 홀더에서 브러시가 정류자에 접촉할 때 적정 스프링 압력을 묻고 있다. 브러시의 적정 압력은 0.15~0.25 kg/cm²로, 이 범위가 마모·발열과 접촉불량의 균형을 만족하므로 정답이다.
브러시의 적정 스프링 압력은 0.15~0.25 kg/cm²이다(세면 마모·발열, 약하면 스파크·정류불량).
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