개념 한 쪽
동기발전기는 부하 조건과 계자전류에 따라 단자전압이 달라지고, 전기자전류의 위상에 따라 전기자반작용의 방향도 달라진다. 부하 포화곡선은 정격속도에서 역률과 부하를 일정하게 두고 단자전압과 계자전류의 관계를 읽은 곡선이다. 진상 전류와 지상 전류는 각각 증자작용과 감자작용을 만들어 단자전압을 올리거나 내린다. 단락비와 동기 임피던스, 자기여자 현상, 안정도는 동기발전기의 운전 특성을 판단하는 주요 기준이 된다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「기타 관련 사항 등」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 진상 전류 단자전압 계산 | 1 | 90도 진상 전류에서 증자 반작용을 반영한 단자전압을 계산하기 |
| 단락비 산출 | 1 | 정격출력과 정격전압, 동기 임피던스로 단락비를 계산하기 |
| 자기여자 방지법 판별 | 1 | 자기여자 현상을 막는 방법과 아닌 방법을 가리기 |
부하 포화곡선은 정격속도로 운전하는 동기발전기에서 역률과 부하를 일정하게 유지한 채 계자전류를 변화시켜 단자전압과 계자전류의 관계를 얻은 곡선이다. 부하전류가 흐르므로 전기자반작용이 나타나고, 그 결과 무부하 포화곡선보다 더 처진 모양이 된다. 무부하 포화곡선은 부하를 걸지 않은 상태의 곡선이고, 단락곡선은 단자를 단락시킨 상태의 곡선이다. 부하특성곡선은 계자전류를 고정하고 부하전류를 변화시킬 때의 관계를 다룬다.
3상 동기발전기의 전기자전류가 기전력과 동상이면 교자작용이 되고, 전류가 기전력보다 90도 뒤지면 감자작용이 되며, 90도 앞서면 증자작용이 된다. 감자작용은 자속을 줄이고 증자작용은 자속을 늘리는 방향으로 작용한다. 커패시터 부하로 진상 전류가 흐르면 전기자반작용이 자화 작용이 되어 단자전압이 상승한다. 지상 전류가 흐르는 유도성 부하에서는 탈자화 작용 때문에 단자전압이 강하한다.
90도 진상 전류가 흐를 때 단자전압은 V=E+XI로 계산한다. 유도 기전력 120V, 반작용 리액턴스 0.2Ω, 전류 20A이면 V=120+0.2×20=124V가 된다. 90도 지상 전류라면 부호가 반대가 되어 전압이 내려가는 쪽으로 계산한다.
단락비는 정격전압을 가할 때의 단락전류를 정격전류로 나눈 값이다. 정격출력 10000kVA, 정격전압 6600V, 동기 임피던스가 매상 3.6Ω인 3상 동기발전기에서는 정격전류가 약 875A, 단락전류가 약 1058A이므로 단락비가 약 1.21이 된다. 전압변동률이 작은 발전기는 동기 리액턴스가 작고 단락비가 크다. 동기 임피던스는 전기자 저항 r과 동기 리액턴스 Xs의 합성으로 Zs=r+jXs가 되고, Xs는 반작용 리액턴스 xa와 누설 리액턴스 xe를 더한 값이다.
자기여자 현상은 긴 송전선이나 케이블의 충전전류가 발전기로 들어와 발전기 스스로를 여자시켜 단자전압이 상승하는 현상이다. 방지법으로는 발전기 병렬 운전, 동기조상기, 병렬 리액터, 병렬 변압기 접속, 단락비가 큰 발전기 사용이 있다. 콘덴서를 병렬로 접속하면 충전용량이 커져 자기여자를 오히려 강화하므로 방지법이 아니다. 안정도 향상에는 관성 모멘트를 크게 하는 방법, 단락비를 크게 하는 방법, 속응 여자를 쓰는 방법이 유효하고, 동기 임피던스를 크게 하는 방법은 최대출력을 줄여 안정도를 낮춘다.
부하 포화곡선 문제에서는 측정 조건과 축을 바꾸어 놓는 선지를 가려낸다. 부하를 걸지 않은 상태의 곡선을 부하 포화곡선이라고 하거나, 단자를 단락시킨 곡선과 혼동하게 만드는 경우를 확인한다. 전기자반작용 문제에서는 전류가 기전력보다 뒤지는지 앞서는지에 따라 감자작용과 증자작용을 구분한다. 진상 전류의 단자전압 계산에서는 V=E+XI를 적용하여 120V에 0.2Ω과 20A의 곱인 4V를 더해 124V를 얻는다. 단락비 계산에서는 정격전류와 단락전류를 각각 구한 뒤 그 비를 취해 약 1.21을 얻는다.
3상 동기 발전기의 3상의 유도 기전력 120V, 반작용 리엑턴스 0.2Ω이다. 90°진상 전류 20A 일 때의 발 전기 단자 전압[V]은? (단, 기타는 무시한다.)
정답 ③ · 문항은 3상 동기발전기에서 주어진 유도 기전력과 리액턴스, 진상 전류로 단자 전압을 구하는 문제이다. 등가식에서 단자전압 V는 내부 유도기전력 E에 리액턴스 전압강하 jX·I를 더한 V = E + jX·I 가 되며 여기서는 진상이므로 실수 부호 방향으로 더해진다.
90° 진상 전류는 증자 반작용으로 단자전압을 올리므로 V=E+XI=120+0.2×20=124V.
정격출력 10000[kVA], 정격전압 6600[V], 동기 임피던스가 매상 3.6[Ω]인 3상 동기 발전기의 단락비는 약 얼마인가?
정답 ③ · 문제는 주어진 정격출력과 전압, 동기 임피던스로 3상 동기발전기의 단락비를 계산하는 것이다. 절차는 정격전류 In = S(VA)/(√3·Vn) 계산 후 정격전압시 단락전류 Isc = (Vn/√3)/Zs 구하고 단락비 k = Isc/In 를 계산한다.
단락비 = 정격전압 시 단락전류 ÷ 정격전류 = Vn/(√3·In·Zs)로 계산한다.
동기 발전기의 자기 여자 현상을 방지하는 방법이 아닌 것은?
정답 ④ · 문제는 동기 발전기의 자기여자(충전전류에 의한 불안정한 전압상승)를 방지하는 방법으로 옳지 않은 것을 찾는 것이다. 자기여자 방지책에는 발전기 여러 대를 병렬로 운전, 수전단에 동기조상기 설치, 병렬 리액턴스 접속, 그리고 단락비가 큰 발전기 사용 등이 포함된다.
자기여자 방지책은 발전기 병렬·동기조상기·병렬 리액터·'큰' 단락비 발전기이며, 작은 단락비는 제외다.
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