개념 한 쪽
직류발전기는 철심과 권선, 정류자와 브러시로 이루어진다. 철심은 얇은 규소강판을 겹쳐 와전류손을 줄이고, 브러시는 스프링으로 정류자에 일정한 압력으로 눌린다. 회전수와 자속, 권선 방식이 유도 기전력을 결정한다.
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출제기준 단원 「직류발전기의 구조」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 철심 피막 처리 목적 판단 | 1 | 성층 강판 표면 절연이 줄이는 손실을 가리기 |
| 권선별 기전력 계산 | 1 | 권선 방식으로 병렬 회로 수를 정해 기전력 구하기 |
| 브러시 압력 수치 암기 | 1 | 정류자 접촉에 알맞은 스프링 압력값 고르기 |
직류발전기의 철심에는 교류 자속이 통하므로 자속 변화가 소용돌이 모양의 와전류를 만든다. 이를 줄이려고 얇은 규소강판을 여러 장 겹쳐 쌓고, 강판 표면에 절연 피막을 입혀 판과 판 사이로 전류가 흐르지 못하게 한다. 피막 처리의 목적은 와전류손을 줄이는 데 있다. 히스테리시스손은 피막이 아니라 규소 첨가와 방향성 처리로 줄인다.
직류기의 유도 기전력은 극수, 매극 자속, 전기자 도체수, 회전수, 병렬 회로 수로 정해진다. 병렬 회로 수는 권선 방식이 결정한다. 단중 파권은 극수와 무관하게 병렬 회로가 2개이고, 중권은 극수와 같다. 포화하지 않은 영역에서는 자속이 여자전류에 비례하므로, 회전수가 절반이 되면 같은 기전력을 유지하려면 여자전류를 2배로 한다.
브러시 홀더는 브러시를 정류자면의 알맞은 위치에서 스프링으로 일정한 압력으로 접촉시킨다. 적정 압력은 0.15~0.25 kg/cm²이다. 압력이 너무 강하면 마찰로 브러시가 빨리 닳고 발열과 마찰손실이 커지며, 너무 약하면 접촉 불량으로 스파크가 튀어 정류가 나빠진다.
전기자에 전류가 흐르면 전기자 자속이 계자 자속을 왜곡해 공극의 자속 분포가 변하는데, 이를 전기자 반작용이라 한다. 대형 발전기에서는 주극 극면의 홈에 전기자 전류와 반대 방향으로 흐르는 보상권선을 넣어 전기자 자속을 직접 상쇄하는 것이 이상적이다. 보극은 주로 정류 개선용이라 목적이 다르다.
브러시 재질은 용도에 따라 갈린다. 금속 흑연질 브러시는 금속 분말을 함유해 접촉저항이 낮고 전류용량이 커서 저전압 대전류용에 가장 적합하다. 탄소질과 전기 흑연질은 저항이 커서 정류 특성이 중요한 고전압 소전류용이다.
지름이 0.1m인 전기자를 가진 직류발전기가 1700rpm으로 회전할 때 주변속도는 v = πDN/60 = 3.14 × 0.1 × 1700 ÷ 60 ≈ 8.9 m/s이다. 이때 출력 1.5kW는 계산에 쓰이지 않는 조건이다.
전기자 도체 총수 400, 극수 10, 매극 자속 0.02Wb, 1200rpm인 단중 파권 발전기의 기전력은 E = PΦZN/(60a)에 파권의 병렬 회로 수 a=2를 넣어 10 × 0.02 × 400 × 1200 ÷ 120 = 800V가 된다. 파권을 중권으로 착각해 a=10을 쓰면 160V가 되어 틀린다.
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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