직류기

게시 2024/01/23

By bs 13 분읽는 시간

직류 발전기의 구조

전기자(전기자 철심 및 전기사 권선): 자속 $\phi$를 끊어 기전력 발생
1. 권선(코일): 유기전력 발생
2. 철심: 0.35~0.5mm
  - 규소강판: 히스테리시스손 감소
  - 성층철심: 와류손 감소
계자(Field): 자속 $\phi$를 발생
1. 자속 공급
2. 계자철심, 계철, 계자권선
정류자(Commutator): 교류를 직류로 변환
1. 정류자 편수: $K=\dfrac{u}{2}S$
2. 정류자 편간 위상차: $\theta =\dfrac{2\pi}{K}$
3. 정류자편 평균전압: $e_{a}=\dfrac{PE}{K}$
4. 정류주기: $T_{c}=\dfrac{b-\delta}{v_{c}}[\textsf{sec}] \left(v_{c}=\pi Dn=\dfrac{\pi DN}{60}\right)$
  [$b$: 브러시 두께, $\delta$: 절연물의 두께, $v_{c}$: 전기자 주변속도, $P$: 극수, $E$: 유기기전력, $u$: 슬롯 내부 코일변수, $S$: 슬롯(홈) 수]
브러시(Brush): 외부회로와 내부회로를 연결
1. 구비조건
  - 기계적 강도가 커야 한다.
  - 내열성이 커야 한다.
  - 전기저항이 작아야 한다.
  - 적당한 접촉저항을 가져야 한다.
2. 종류
  - 탄소 브러시: 접촉저항이 크기 때문에 직류기에 사용
  - 흑연질 브러시
    - 전기 흑연질 브러시: 대부분의 전기 기계에 사용
    - 금속 흑연질 브러시: 전기 분해 등의 저전압 대전류용 기기에 사용
  - 설치압력: 0.15~0.25 $kg_{f}/cm^{2}$ (단, 전차용 전동기 0.35~0.45 $kg_{f}/cm^{2}$)

직류기 전기자 권선법: 고상권, 페로권, 이층권

중권과 파권 비교

비교항목	단중 중권	단중 파권
전기자의 병렬회로수	$P\left(mP\right)$	$2\left(2m\right)$
브러시 수	$P$	$2$
용도	저전압, 대전류	고전압, 소전류
균압접속	4극 이상, 균압환 필요	불필요

유기기전력

$E=\dfrac{P}{a}\phi Z\dfrac{N}{60}=K\phi N \left(K=\dfrac{PZ}{60a}\right)$
($a$: 병렬회로수, $P$: 극수, $\phi$: 자속[$\textsf{Wb}$], $N$: 회전속도[$\textsf{rpm}$], $Z$: 총도체수[(전슬롯수) $\times$ (한슬롯 내 도체수)])

전기자 반작용

전기자도체의 전류에 의해 발생된 자속이 계자 자속에 영향을 주는 현상

현상
1. 편자작용
  - 감자작용: 전기자 기자력이 계자 기자력에 반대 방향으로 작용하여 자속이 감소하는 현상
    - $\delta$ (전기각) $=$ (기하각) $\times \dfrac{P}{2}$
    - (매극당 감자 기자력) $=\dfrac{I_{a}}{a}\times\dfrac{z}{2p}\times\dfrac{2\alpha}{180}$
  - 교차자화작용: 전기자 기자력이 계자 기자력에 수직 방향으로 작용하여 자속분포가 일그러지는 현상
    - (매극당 교차 기자력) $=\dfrac{I_{a}}{a}\times\dfrac{z}{2p}\times\dfrac{\beta}{180}$ (단, $\beta =180-2\alpha$)
2. 중성축 이동 - 보극이 없는 직류기는 브러시를 이동
  - 발전기: 회전 방향
  - 전동기: 회전 반대 방향
3. 국부적으로 섬락 발생, 공극의 자속분포 불균형으로 섬락(불꽃) 발생
방지책
1. 보극, 보상권선 설치(전기자 전류와 반대 방향).
2. 계자 기자력을 크게 한다.
3. 자기 저항을 크게 한다.
영향: 자속 감소
1. 발전기: $E\downarrow, V\downarrow, P\downarrow$
2. 전동기: $N\uparrow, T\downarrow$

정류

전기자 코일이 브러시에 단락된 후 브러시를 지날 때 전류의 방향이 바뀌는 것
리액턴스 전압: $e_{L}=L\cdot\dfrac{di}{dt}=L\cdot\dfrac{2I_{c}}{T_{c}}[\textsf{V}]$
1. 종류
1. 직선정류(이상적인 정류): 불꽃 없는 정류
2. 정현파 정류: 불꽃 없는 정류
3. 부족정류: 브러시 뒤편에 불꽃(정류말기)
4. 과정류: 브러시 앞면에 불꽃(정류초기)
  - 불꽃 없는 정류
  - 저항정류: 탄소 브러시 사용하여 단락전류 제한
  - 전압정류: 보극을 설치하여 평균 리액턴스 전압 상쇄
    1. 방지책
5. 보극과 탄소 브러시를 설치한다.
6. 평균 리액턴스 전압을 줄인다.
7. 정류주기를 길게 한다.
8. 회전 속도를 적게 한다.
9. 인덕턴스를 작게 한다(단절권 채용).

발전기의 종류

타여자 발전기
1. 잔류 자기가 없어도 발전 가능
2. 운전 중 회전 방향 반댸: (+), (-) 극성이 반대로 되어 발전 가능
3. $E=V+I_{a}R_{a}+e_{a}+e_{b}, I_{a}=I$
분권 발전기
1. 잔류 자기가 없으면 발전 불가능
2. 운전 중 회전 방향 반대 발전 불가능
3. 운전 중 서서히 단락하면 소전류 발생
4. $E=V+I_{a}R_{a}+e_{a}+e_{b}, I_{a}=I+I_{f}$
직권 발전기
1. 운전 중 회전 방향 반대 발전 불가능
2. 무부하 시 자기 여자로 전압을 확립할 수 없음
3. $E=V+I_{a}\left(R_{a}+R_{s}\right)+e_{a}+e_{b}, I_{a}=I_{f}=I$
복권(외복권) 발전기
1. 분권 발전기 사용: 직권 계자 권선 단락
2. 직권 발전기 사용: 분권 계자 권선 개방
3. $E=V+I_{a}\left(R_{a}+R_{s}\right)+e_{a}+e_{b}, I_{a}=I+I_{f}$

직류 발전기의 특성

무부하 포화곡선: $E-I_{f}$ (유기기전력과 계자전류) 관계 곡선
부하 포화곡선: $V-I_{f}$ (단자전압과 계자전류) 관계 곡선
자여자 발전기의 전압 확립 조건
1. 무부하곡선이 자기 포화곡선에 있어야 한다.
2. 잔류 자기가 있어야 한다.
3. 임계저항이 계자저항보다 커야 한다.
4. 회전방향이 잔류 자기를 강화하는 방향이어야 한다.
  회전 방향이 반대이면 잔류 자기가 소멸하여 발전하지 않는다.

전압 변동률

$\varepsilon =\dfrac{V_{0}-V}{V}\times 100=\dfrac{E-V}{V}\times 100=\dfrac{I_{a}R_{a}}{V}\times 100$

(+): $V_{0}>V$, 타여자, 분권
(-): $V_{0}<V$, 직권, 과복권
0: $V_{0}=V$, 평복권

직류 발전기의 병렬 운전

조건
1. 극성과 단자전압이 일치(용량 임의)해야 한다.
2. 외부특성이 수하 특성이어야 한다.
3. 용량이 다를 경우 부하전류로 나타낸 외부특성 곡선이 거의 일치해야 한다.
  용량에 비례하여 부하분담을 이루어진다.
4. 용량이 같은 경우, 외부특성 곡선이 일치해야 한다.
5. 병렬 운전 시 직권, 과복권 균압 모선이 필요하다.
병렬 운전식
$V=E_{1}-I_{1}R_{1}=E_{2}-I_{2}R_{2}$
$I=I_{1}+I_{2}$
부하분담
1. 유기기전력이 큰 쪽이 부하분담이 큼
2. 유기기전력이 같으면 전기자 저항에 반비례함
3. 용량이 다르고, 나머지가 같으면 용량에 비례함

직류 전동기

발전기 원리: 플레밍의 오른손 법칙
전동기 원리: 플레밍의 왼손 법칙
역기전력: $E=\dfrac{P}{a}Z\phi\dfrac{N}{60}=K\phi N=V-I_{a}R_{a}$
회전속도: $n=\dfrac{E}{K\phi}=K\cdot\dfrac{V-I_{a}R_{a}}{\phi} [\textsf{rps}]$
토크
- $T=\dfrac{P}{w}=\dfrac{PZ\phi I_{a}}{2\pi a}=K\phi I_{a}[\textsf{N}\cdot\textsf{m}]$
- $T=\dfrac{1}{9.8}\times\dfrac{P_{m}}{\omega}=0.975\dfrac{P_{m}}{N}[\textsf{kg}\cdot\textsf{m}]$
- $T=0.975\dfrac{P_{m}}{N}=0.975\dfrac{E\cdot I_{a}}{N}[\textsf{kg}\cdot\textsf{m}]=9.55\dfrac{P_{m}}{N}[\textsf{N}\cdot\textsf{m}]$
직류 전동기의 종류

종류	전동기의 특징
타여자	- (+), (-) 극성을 반대로 접속하면 회전 방향이 반대 - 정속도 전동기
분권	- 정속도 특성의 전동기 - 위험 상태 정격전압, 무여자 상태 - (+), (-) 극성을 반대로 접속하면 회전 방향이 불변 - $T\propto I\propto\dfrac{1}{N}$
직권	- 변속도 전동기(전동차에 적합) - 부하에 따라 속도가 심하게 변함 - (+), (-) 극성을 반대로 접속하면 회전 방향이 불변 - 위험 상태 정격전압, 무부하 상태 - $T\propto I^{2}\propto\dfrac{1}{N^{2}}$

직류 전동기 속도 제어

$n=K’\dfrac{V-I_{a}R_{a}}{\phi}$ (단, $K’$: 기계정수)

종류	특징
전압 제어	- 광범위 속도 제어 가능 - 워드 레너드 방식[광범위한 속도 조정(1:20), 효율양호] - 일그너 방식(부하가 급변하는 곳, 플라이휠 효과 이용, 제철용 압연기) - 정토크 제어
계자 제어	- 세밀하고 안정된 속도 제어 - 효율은 양호하나 정류 불량 - 정출력 가변속도 제어
저항 제어	- 좁은 속도 조절 범위 - 효율 저하

직류 전동기 제동

발전 제동: 전동기 전기자 회로를 전원에서 차단하는 동시에 계속 회전하고 있는 전동기를 발전기로 동작시켜 이때 발생되는 전기자의 역기전력을 전기자에 병렬 접속된 외부 저장에서 열로 소비하여 제동하는 방식
회생 제동: 전동기의 전원을 접속한 상태에서 전동기에 유기되는 역기전력을 전원전압보다 크게하여 이때 발생하는 전력을 전원 속에 반환하여 제동하는 방식
역전 제동(플러깅): 전동기를 전원에 접속한 채로 전기자의 접속을 반대로 바꾸어 회전 방향과 반대의 토크를 발생시켜 급정지시키는 방법

직류기의 손실과 효율

고정손(무부하손): 철손(히스테리시스손, 와류손), 기계손(베어링손, 마찰손, 풍손)
부하손(가변손): 동손(전기자동손, 계자동손), 표유부하손
총손실: (철손)+(기계손)+(동손)+(표유부하손)
최대 효율조건: (부하손)=(고정손)
실측효율
$\eta=\dfrac{\left(\text{출력}\right)}{\left(\text{입력}\right)}\times 100$
규약효율
1. 발전기: $\eta=\dfrac{\left(\text{출력}\right)}{\left(\text{입력}\right)}=\dfrac{\left(\text{출력}\right)}{\left(\text{출력}\right)+\left(\text{손실}\right)}\times 100$
2. 전동기: $\eta=\dfrac{\left(\text{출력}\right)}{\left(\text{입력}\right)}=\dfrac{\left(\text{입력}\right)-\left(\text{손실}\right)}{\left(\text{입력}\right)}\times 100$

절연물의 최고 허용온도

절연 재료	최고허용온도(단위: $^{\circ}\textsf{C}$)
Y	90
A	105
E	120
B	130
F	155
H	180
C	180 초과

직류 전동기의 토크 측정, 시험

전동기의 토크 측정: 보조발전기법, 프로니 브레이크법, 전기 동력계법
온도 시험
1. 실부하법
2. 반환부하법: 홉킨스법, 블론델법, 카프법

EEE, Electric Machines

전기기기