개념 한 쪽
동기발전기는 계자에 직류를 공급해 자계를 만들고, 그 자속을 도체가 가로질러 유기기전력을 얻는다. 여자기는 이 직류를 공급하는 장치이고, 돌극형 구조와 난조, 돌발 단락 전류, 단락비는 동기발전기의 동작을 이해하는 핵심이다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「동기발전기의 구조 및 원리등」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 계수 계산 | 1 | 슬롯 배치에서 기본파에 대한 단절권 계수 수치 구하기 |
| 같은 구조 고르기 | 1 | 동기전동기 제동권선과 같은 구조인 것 고르기 |
| 원인 아닌 것 고르기 | 1 | 동기 전동기에서 난조를 일으키는 원인이 아닌 보기 가리기 |
동기발전기는 계자 권선에 직류 여자전류를 공급해 자석 역할을 하게 하고, 회전하는 자속을 전기자 도체가 가로질러 전압을 만든다. 이때 계자 권선에 직류전압을 공급하는 직류전원 장치가 여자기이다. 속도와 주파수는 원동기와 조속기가 담당하고, 주파수는 극수와 회전수로 정해진다.
한 코일의 유기기전력 실효치는 E=4.44·f·Φ·N·k로 나타낸다. f는 주파수, Φ는 1극당 자속, N은 코일 권수, k는 권선계수이다. 주파수는 극수와 회전속도로 구하고, 이 값을 식에 대입해 기전력을 계산한다.
돌극형 동기발전기는 회전자 자극이 튀어나온 모양이라 직축과 횡축의 공극 크기가 다르다. 직축 공극이 횡축 공극보다 좁아 자기저항이 작아지고, 그 결과 직축 리액턴스 Xd가 횡축 리액턴스 Xq보다 커진다. 공극이 균일한 원통형에서는 Xd와 Xq가 같은 관계로 다룬다.
돌발 단락이 일어나면 전류가 급변해 제동 권선과 계자 권선에 역기전력이 유도되고, 전기자 반작용 자속이 그 권선들을 통과하지 못한다. 처음 순간에는 전기자 반작용이 작동하지 못해 누설 리액턴스만이 전류를 제한한다. 정상 상태의 지속 단락 전류는 동기 리액턴스가 제한한다.
단락비는 정격전압을 가할 때 흐르는 단락전류를 정격전류로 나눈 값이다. 정격 상전압을 동기 임피던스로 나눈 값과 정격전류의 비로 계산한다. 난조는 동기발전기의 회전자가 동기속도를 중심으로 흔들리는 현상이며, 부하 급변과 원동기 토크의 고조파, 전기자 저항이 큰 경우 등이 원인으로 다루어진다.
유기기전력 계산은 극수 4, 1극당 자속 0.062Wb, 회전속도 1800rpm, 코일 권수 100, 권선계수 1.0인 경우로 확인한다. f=4×1800÷120=60Hz이고, E=4.44×60×0.062×100×1.0≈1652V로 계산한다.
단락비 계산은 정격출력 10000kVA, 정격전압 6600V, 매상 동기 임피던스 3.6Ω인 3상 동기발전기로 확인한다. 정격전류 In=10000kVA÷(√3×6600V)≈875A이고, 상전압 6600÷√3≈3810V에서 단락전류 Isc=3810÷3.6≈1058A로 구한다. 단락비=1058÷875≈1.21로 계산한다.
3상 6극 슬롯수 54의 동기 발전기가 있다. 어떤 전기자 코일의 두 변이 제1슬롯과 제8슬롯에 들어 있다면 기본파에 대한 단절권 계수는 얼마인가?
정답 ④ · 3상 교류기의 단절권 계수(kp)는 코일의 두 변이 놓인 슬롯 간격(전기각)에 따라 결정됩니다. 극수가 6개이므로 전기적 1극당 슬롯 수는 54개 / 6극 = 9슬롯이며, 이는 전기각 180도에 해당합니다.
단절권 계수 kp=sin(γ/2)이고, γ=슬롯당 전기각 20°×7=140° → sin70°≈0.9397.
동기전동기의 제동권선은 다음 중 어떤 것과 같은 가?
정답 ① · 문제는 동기전동기의 제동권선이 어떤 회전자 구조와 같은지를 묻는다. 제동권선(감쇠권선)은 극 표면에 설치된 단락 막대와 단락링 구조로 유도전동기에서 사용하는 농형 회전자와 동일한 구조와 동작을 한다.
제동권선은 극 표면의 단락 막대+단락링 구조로, 유도전동기 농형 회전자와 같은 것이다.
동기 전동기에서 난조를 일으키는 원인이 아닌 것은?
정답 ① · 문제는 동기전동기에서 난조를 일으키지 않는 원인을 묻고 있다. 난조의 일반적 원인에는 회전자 관성의 과대, 원동기 토크의 고조파, 전기자 회로의 큰 저항, 과민한 조속기 등이 있으므로 관성이 작으면 오히려 난조 발생 가능성이 낮아 원인이 아니다.
난조 원인은 관성이 '큰' 경우·고조파 토크·전기자 저항 큼·예민한 조속기이며, 관성이 작으면 원인이 아니다.
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