개념 한 쪽
동기기는 회전자인 계자에 직류를 흘려 자석으로 만든 뒤 발전과 전동 동작을 이룬다. 이 직류를 공급하는 장치가 여자기(여자장치)다. 여자의 세기를 어떻게 조정하느냐에 따라 무효전력·역률·안정도가 달라지므로, 여자장치는 동기기 운전의 핵심 조절 수단이다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「여자장치」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 안정도 향상 대책 판별 | 1 | 안정도에 유효하지 못한 대책을 가리기 |
| V곡선 성질 판단 | 1 | 축 구성과 최저점의 역률 설명 중 틀린 것 고르기 |
| 단절권계수 계산 | 1 | 슬롯 위치로 권폭과 β를 구해 계수 산출 |
여자기는 동기발전기의 계자 권선에 직류 여자전류를 공급하기 위한 직류전원 장치다. 동기발전기는 계자에 직류를 흘려 자석 역할을 하게 하고, 그 자속을 전기자 도체가 가로질러 기전력을 만들어 내는 구조다. 속도와 주파수는 원동기와 조속기가 담당하고, 여자기의 본래 용도는 계자에 직류를 먹이는 일 하나로 정리된다.
정전압 계통에 접속된 동기발전기에서는 단자 전압이 계통에 의해 고정되고, 내부 기전력은 여자의 세기가 정한다. 여자를 약하게 하면(저여자) 기전력이 단자 전압보다 낮아져 전류가 전압보다 앞서는 진상 무효전류가 증가한다. 반대로 여자를 세게 하면(과여자) 지상 무효전류를 내보낸다. 즉 여자 조정은 유효전력이 아니라 무효전력(역률)을 바꾸는 수단이며, 병렬 운전에서 무효전력 분담도 계자 전류로 조절한다. 유효전력 분담은 원동기 속도(조속기)로 조절한다는 점과 짝지어 기억한다.
여자는 동기기의 안정도와도 직결된다. 동기 최대 출력은 Pmax = EV/Xs이므로 동기 임피던스가 작을수록 안정도가 좋아진다. 따라서 단락비를 크게 하거나, 관성 모멘트를 증대하거나, 속응 여자(자동 전압 조정)를 쓰는 것은 안정도 향상에 유효한 대책이다. 반대로 동기 임피던스를 크게 하는 것은 최대 출력을 줄여 안정도를 나쁘게 하므로 유효하지 못하다.
여자전류를 바꿀 때 전기자전류의 변화를 그린 것이 동기전동기의 V곡선이다. 가로축이 여자전류, 세로축이 전기자전류이며, 최저점은 전기자전류가 최소가 되고 역률은 100%다. 여자가 약하면 지상(뒤진) 역률, 과여자면 진상 역률이 된다. 또한 90° 진상 전류가 흐르는 발전기는 전기자 반작용이 증자로 작용해 단자 전압이 올라가므로, 기전력과 단자 전압의 관계에서 부호 방향을 정확히 취급해야 한다.
단절권계수 계산: 3상·6극·슬롯수 54인 동기발전기에서 한 코일의 양쪽 변이 각각 1번 칸과 8번 칸에 놓이는 경우를 풀어 본다.
슬롯각 α = 180° × 극수 ÷ 슬롯수 = 180° × 6/54 = 20°다. 전 권폭은 180°/20° = 9슬롯인데, 실제 권폭은 8 − 1 = 7슬롯 = 7 × 20° = 140°다. 부족각 β = 180° − 140° = 40°이므로 단절권계수 k = cos(β/2) = cos20° ≈ 0.9397이다. 권폭을 셀 때 (n − 1)슬롯으로 세는 점이 실수 포인트다.
안정도 문제도 확인한다. 최대 출력 Pmax = EV/Xs에서 동기 임피던스를 크게 하면 Xs가 커져 Pmax가 작아지고 조금만 부하가 변해도 동기에서 벗어나기 쉽다. 반면 단락비는 Xs에 반비례하므로 단락비가 클수록 안정도가 높다. "Xs는 안정도의 적"으로 묶어 판단하면 된다.
동기기의 안정도 향상에 유효하지 못한 것은?
정답 ④ · 질문은 동기기 안정도를 높이기 위한 방법 중 효과가 없는 것을 찾는 문제이다. 동기 임피던스 Xs가 작을수록 기계가 견딜 수 있는 최대 전력이 커지므로 큰 Xs를 취하는 것은 안정도 향상에 도움이 되지 않는다.
동기 임피던스는 작을수록 최대 출력 EV/Xs가 커져 안정도가 좋아지므로 크게 하는 것은 안정도 향상에 유효하지 못하다.
다음에서 동기전동기의 V곡선에 대한 설명중 맞지 않는 것은?
정답 ④ · 문제는 동기전동기의 V곡선 특성에서 잘못된 설명을 고르는 것이다. V곡선은 가로축에 여자전류, 세로축에 전기자전류를 놓고 그린 곡선으로 여자전류를 변화시킬 때 전기자전류가 최소가 되는 지점(곡선의 최저점)이 존재한다.
V곡선 최저점은 전기자전류 최소·역률 100% 지점이므로 '역률 0%' 설명이 틀리다.
3상, 6극, 슬롯수 54의 동기발전기가 있다. 어떤 전기자 코일의 두변이 제 1슬롯과 제 8슬롯에 들어있다면 단절권계수는 얼마인가?
정답 ① · 문제는 주어진 슬롯 배치에서 단절권계수를 구하는 것이다. 슬롯각은 180°×극수/슬롯수 = 180×6/54 = 20°이고 권폭은 두 변의 슬롯 차이로 8−1 = 7슬롯이므로 권폭각은 7×20° = 140°이므로 β = 180°−140° = 40°가 된다.
단절권계수 k=cos(β/2). 슬롯각 20°, 권폭 7슬롯=140° → β=40° → cos20°≈0.9397.
전기공사산업기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.