개념 한 쪽
동기발전기는 계자에 직류를 흘려 자계를 만들고, 그 자계를 도체가 가로지르며 전압을 만든다. 이 직류를 공급하는 장치가 여자기이고, 여자의 세기를 조절하면 무효전력과 전압이 달라진다. 동기기의 권선 구조와 특성 계수도 함께 익힌다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「전압조정 등」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 여자기 용도 판별 | 1 | 계자 권선에 직류를 공급하는 장치의 역할 가리기 |
| 단락비 계산 | 1 | 정격전류와 동기임피던스로 단락비 환산하기 |
| 단절권 계수 산출 | 1 | 슬롯 간격의 전기각으로 권선 계수 구하기 |
여자기는 동기발전기 계자 권선에 직류 여자전류를 공급하는 직류전원 장치다. 계자에 직류를 흘려 자석 역할을 하게 하면 그 자속을 도체가 가로질러 전압이 만들어진다. 속도와 주파수는 원동기와 조속기가 정하고, 주파수는 극수와 회전수로 결정되므로 여자기와 무관하다. 부하변동에 대한 대응은 전압조정기와 조속기의 몫이다.
정전압 계통에 연결된 동기발전기는 단자 전압을 계통이 정해 주고, 내부 기전력은 여자의 세기가 정한다. 계자 전류를 줄이면 기전력이 단자 전압보다 낮아져 전류가 전압보다 앞서는 진상 무효전류가 늘어난다. 반대로 과여자하면 지상 무효전류를 내보낸다. 여자 조정은 출력이 아니라 무효전력과 역률을 바꾸는 수단이다.
단락비는 정격전압을 가할 때 흐르는 단락전류를 정격전류로 나눈 값이다. 정격 상전압을 동기임피던스로 나눈 단락전류와 정격전류의 비로 구한다. 단락비가 크면 자기여자가 일어나기 어렵다.
권선 계수는 코일 두 변 사이의 전기각으로 구한다. 극당 슬롯 수로 슬롯 하나당 전기각을 정하고, 코일 간격을 전기각으로 환산한 뒤 그 절반의 사인을 취한다. 동기전동기의 제동권선은 극 표면의 단락 막대와 단락링 구조로 유도전동기 농형 회전자와 같다.
동기전동기는 부하가 변해도 동기속도를 유지하고, 계자전류를 조절해 역률을 지상에서 진상까지 바꿀 수 있다. 다만 기동 토크가 없어 스스로 시동하지 못한다. 난조는 관성이 큰 경우, 원동기 토크의 고조파, 전기자 저항이 큰 경우, 예민한 조속기가 원인이 된다.
여자기 용도를 묻는 문제는 직류 공급 하나로 정답이 갈린다. 속도나 주파수를 여자기의 몫으로 돌리거나 부하변동 대응을 여자기의 본래 용도로 적은 선지는 틀리다. 정전압 계통에서 여자를 약하게 할 때 진상과 지상을 뒤바꾸는 선지도 함정이다.
단락비 계산은 정격전류와 단락전류를 차례로 구해 비를 취한다. 정격출력 10000kVA, 정격전압 6600V, 동기임피던스 매상 3.6Ω인 3상 동기발전기를 보자. 정격전류는 10000kVA를 √3×6600V로 나눈 약 875A이고, 상전압 6600÷√3≈3810V를 3.6Ω으로 나눈 단락전류는 약 1058A다. 단락비는 1058÷875로 약 1.21이 된다.
단절권 계수는 극당 슬롯 수부터 센다. 3상 6극 슬롯수 54의 발전기에서 극당 슬롯은 54÷6=9이고, 슬롯당 전기각은 180°÷9=20°다. 코일 두 변이 제1슬롯과 제8슬롯에 있으면 간격은 7슬롯이므로 전기각은 20°×7=140°이고, 단절권 계수는 sin(140°÷2)=sin70°로 약 0.9397이다. 간격을 8슬롯으로 세면 각도가 어긋나 엉뚱한 값이 나온다.
동기발전기에 사용되는 여자기의 용도는?
정답 ③ · 문제는 동기발전기에서 여자기의 용도를 묻는 것이다. 여자기는 계자 권선에 직류 여자전류를 공급하는 장치로, 회전자에 안정된 자계를 만들어 발전기의 전압을 생성·조절하도록 하는 기능을 가진다.
여자기는 동기발전기 계자 권선에 직류 여자전류를 공급하기 위한 직류전원 장치이다.
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.
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.
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