전기기초(꼭 알아두어야 할 것)

[김준혁(조교)]

• 전기 안전

• 사고와 재해

우리가 실습이나 작업에 임하면서 접하게 되는 기구나 기계에는 위험 및 위해 요소들이 많이 있다. 이러한 환경에서 발생할 수 있는 재해는 기계 설비의 불안전한 상태나 작업자의 불안정한 행동에서 유발될 수 있다.

사고의 직접적인 요인은 방호장치를 사용하지 않았거나 미숙한 조작방법, 부적절한 기구나 장치사용, 작업자의 정신집중 방해 요인 등의 작업자 요인과(불안전한 행동유발), 기계설비의 결함, 작업 장소의 부적절함, 작업환경의 악조건 등과 같은 주변 상태의 불안전함(불안전한 상태)에 있다.간접적인 요인으로는 안전관리자의 태만함, 작업자의 작업에 대한 정신적인 태도 불량, 육체적인 피로 등도 들 수 있다.

이러한 여러 요인을 예방하여 작업자의 신체적인 피해나 시설 설비 등의 손상을 미연에 방지하는 것이 안전교육의 최우선 과제이다.

모든 재해 사고는 예방이 가능하며 예방이 불가능한 사고는 없다. 단지, 인지(認知)와 노력의 한계가 있을 뿐이다. 모든 물질은 변하는 것이며 예측이 가능하다, 그렇기 때문에 사전에 예방이 가능한 것이다. 또한 피해는 단독으로 일어나는 것이 아니고 여러 원인에 의해 복합적으로 연계되어 결정적인 순간에 사고로 이어지므로 이러한 원인을 제거해 주면 피해는 예방할 수 있다. 그리고 사고 발생 당시의 주변 조건에 따라 재해의 크기 여부도 결정되므로 환경적인 조건까지도 모두 고려되어야 한다.

• 전기기기의 시설 및 안전한 사용법

1. 전기기기는 공업표준규격 표시품, 형식 승인을 받은 전기용품을 사용하여, 전기기술기준에 따라 시설해야 한다.
2. 습한 장소에서의 전기사용은 금한다. 습한 상태에서는 저항이 낮기 때문에 감전의 위험이 높다.
3. 기계 기구류의 점검이나 보수시에는 반드시 전원을 내리고 실시한다.
4. 전기회로가 밖으로 드러나지 않게 방호시설이나 절연을 충분히 하여 사용한다.
5. 이동식 전기기기류에는 이동전선에 전선관이나 보호커버를 사용하여 내부의 동선이 노출되지 않도록 한다.
6. 콘센트는 사용전압을 확인하고 과부하가 걸리지 않도록 용량을 고려해 사용한다.
7. 분전반에 전기회로의 사용유무를 표시하여 점검 중에 스위치류를 올리지 않도록 한다.
8. 아크발생기구는 고압용은 1[m], 특별고압용은 2[m] 이상의 이격거리를 두고 설치해야 한다.
9. 금속 외함을 갖는 전기기기 중 60[V]이상의 것은 누전차단기 등의 보호장치를 시설해야 한다.
10. 저압용 퓨즈는 정격전류의 1.25배에서 견디고, 1.45배에서 5분간, 2배에서는 1분 이내에 용단되어야 한다.
11. 배선용 차단기는 30[A] 이하의 것은 125[%]의 전류에서 60분, 200[%]에서는 2분 이내에 차단되어야 한다.
12. 차단기는 차단기 동작 원인을 반드시 규명한 후 재투입한다.
13. 누전 차단기(leakage current circuit breaker)는 전원을 전원 측에, 부하를 부하 측에 확실하게 접속한다.
14. 전선의 접속은 인장강도가 80[%]이하가 되지 않도록 해야하고, 비닐테이프는 반폭씩 겹쳐 4겹 이상 감는다.
15. 고주파를 발생하는 기기(방전가공기)의 전원 측에 콘덴서 등을 설치하여 전파 장해를 방지해야 한다.

• 접지공사

1. 400[V]미만의 저압용 ------- 제 3종 접지공사
2. 400[V]이상의 저압용 ------- 특별 제 3종 접지공사
3. 고압용 또는 특별 고압용 ---- 제 1종 접지공사
4. 습기가 많은 장소에 동판(300×300×0.7[㎜]이상)이나 동봉(지름8[㎜],길이90[㎝]이상)을 깊이 매설하여야 한다.
5. 접지공사의 종류

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  접지종별	접지저항값	접지선의 굵기
  제1종 접지공사	10[Ω]이하	2.6[㎜]이상
  제2종 접지공사	특고압→300[V]미만 10[Ω]	고압→저압 2.6[㎜]이상
  	특고압→300[V]이상 5[Ω]	특고압→저압 4.0[㎜]이상
  제3종 접지공사	100[Ω]이하	1.6[㎜]이상
  특별 제3종 접지공사	10[Ω]이하	1.6[㎜]이상

• 전동기의 운전취급 방법

1. 내부 코일의 단선, 베어링의 마모, 절연저항, 전원전압, 퓨즈 등을 점검한다.
2. 전동기 단자와 전선의 접속 및 전동기 접지선의 접속을 점검한다.
3. 전동기 전원공급장치는 차단 기구를 갖춘 나이프 스위치나 전자 개폐기를 사용하여야 한다.
4. Y-Δ기동기 또는 기동저항기를 사용할 때는 반드시 기동위치에서 기동하여야한다.
5. 전동기의 부하는 서서히 증가시켜야 하며, 운전중 과도한 온도상승이 되지 않도록 주의한다.
6. 정지할 때에는 Y-Δ기동기 또는 기동저항기의 위치를 기동위치에 놓고, 전원을 차단한다.

• 전기 기초 이론

• 자유전자

모든 물질은 매우 작은 분자 또는 원자(atom)의 집합으로 되어 있다. 이들 원자는 양전기를 가진 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 음전기를 띤 몇 개의 전자(electron)로 구성되고 원자핵은 몇 개의 양자(proton)와 중성자(neutron)로 구성된다.



1개의 전자와 양자가 가지는 음전기와 양전기의 전기량의 크기는 1.60219×10^-19[C]으로 같고 방향은 서로 반대이다. 정상상태에서는 원자내의 양자수와 전자수가 같으므로 중성이 된다. 원소의 원자번호는 핵 속에 있는 양자수를 표시하는 것으로 이것은 곧 정상상태의 전자수와 같다.

물질의 기본 구성단위인 원자는 중심에 (+)전하를 가진 원자핵과 그 주위에 (-)전하를 가진 전자가 각각의 궤도에서 회전하고 있다. 그 중에서 가장 바깥궤도에 있는 전자를 최외각 전자라고 하는 데 이 최외곽 전자는 원자핵에 끌리는 힘이 가장 약하게 작용하기 때문에 외부에너지의 영향에 의해 쉽게 자기 궤도를 이탈하여 원자와 원자사이를 자유롭게 움직인다.

이 최외곽전자가 외부의 작은 에너지에도 잘 이탈하여 많은 자유전자가 생기는 물질이 도체가 되고 외부에서 많은 에너지를 가해도 자유전자가 거의 생기지 않는 물질은 부도체가 된다. 그 중간의 특성을 갖는 물질은 반도체라고 하고, 이탈하여 자유롭게 움직이는 전자를 자유전자라고 한다.

전기의 여러 가지 현상은 거의 이들 자유전자의 작용에 의한 것으로 온도가 높아지면 물질중의 자유전자의 운동이 활발해진다. 자유전자가 빠져나간 물질은 양전기를 갖게 되고 자유전자가 들어온 물질은 음전기를 띠게 된다. 이와 같이 물질이 여분의 양전기나 음전기를 갖게 되는 것을 대전(electrification)되었다고 한다. 대전된 물질이 갖는 전기를 전하라고 하고 전하가 갖는 전기의 양을 전기량이라고 하며 단위는 쿨롱(coulomb, [C])을 사용한다.

전원을 연결하면 전자는 양극으로 흘러가게 된다. 이 자유전자의 흐름이 바로 전류의 주체가 된다. 그런데 전류의 방향은 (+)전하가 이동하는 방향으로 하고 있으므로 전류의 흐름의 방향은 이 자유전자가 흘러가는 방향과 반대가 된다.

• 전기회로

그림에서 스위치를 닫으면 건전지에서 전구로 전기가 흘러 전구에 불이 들어온다. 이는 하나의 전기회로가 구성된 것으로 볼 수 있다. 전기회로가 구성되기 위한 필수 조건이 폐회로가 구성되어야 하며, 폐회로 내에 하나 이상의 전원(electric source)이 존재해야 한다. 폐회로가 이루어지지 않은 상태에서는 전류가 흐르지 않는다.

그림의 회로에서는 전기에너지를 빛에너지로 바꾸기 위한 전기회로로, 이 회로에서 건전지가 전원이 되며, 꼬마전구는 부하(load)가 된다. 전원은 전기에너지를 지속적으로 공급할 수 있는 에너지원으로 건전지나 발전기, 축전지 등을 들 수 있다. 전기회로의 부하는 전기에너지를 다른 에너지로 변환하는 등의 일을 할 수 있는 기구를 말하며, 그림에서는 전구가 이에 해당한다. 동력에너지로 변환하는 전동기나, 열에너지로 변환하는 히터 등을 부하로 볼 수 있다.

• 물의 흐름과 전기의 흐름

물과 전기는 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 것으로 물과 전기의 성질이 반드시 모두 일치하지는 않지만 전기의 성질을 눈으로 볼 수 있는 물의 흐름과 비교하여 보면 전기의 특성을 쉽게 이해할 수 있다는 장점이 있어 비교하여 보기로 한다.

• 수압이 높을수록 물이 잘 흐르는 것처럼 전기도 전압이 높을수록 잘 흐른다.
• 수압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯 전기도 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다.
  　
• 수압이 같으면 물이 흐르지 않듯이 전압이 같으면 전기도 흐르지 않는다.
  　

  

• 전압과 전류

• 전류

전기회로에서 전류란 수도관에서 물의 흐름과 같이 생각할 수 있다. 수압에 의해 수도관에 물이 흐르게 되는데, 전기 회로에서는 전압에 의해 전기가 이동하게 되는데, 이러한 전기의 이동을 전류(electric current)라 한다.

전류의 크기는 1[초, 또는 sec] 동안에 도체를 이동하는 전기의 양으로 나타내며, 그 단위는 암페어(ampere, 기호 [A])를 쓴다. 만일 어떤 도체에 t[sec] 동안에 Q쿨롬(coulomb, 기호 C)의 전기량이 이동하였다면, 전류 I는 다음과 같이 된다.

즉, 1[sec]동안에 1[C]의 전기량이 이동하면 1[A]의 전류가 흐르는 것이 된다.

그런데 전자 1개는 약 1.60219×10^-19[C]의 전하를 가지고 있으므로 1[초]에 6.25×10¹⁸[개]의 전자가 흘러가고 있는 것이다.

• 전압

도체에 전기를 흐르게 하려면 마치 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것과 같이 전기적인 높이의 차가 필요하다. 이 전기적인 높이를 전위(electric potential)라고 하며, 그 차를 전위차(potential difference) 또는 전압(electric voltage)이라 한다.

발전기나 전지의 양극이나 음극과 같이 두 점 사이에 전위차를 생기게 하는 힘을 기전력(electromotive force : e. m. f)이라 하며, 그 단위는 전압과 같은 볼트(volt, 기호 V)를 쓴다. 1[V]는 1[C]의 양전기를 전위가 낮은 점에서 높은 점으로 이동시키는데 필요한 일로 1줄(Joule, 기호 J)이 되는 전압이다.

Q[C]의 전기량이 도체를 이동하여 W[J]의 일을 하였다면, 이 때의 기전력 E[V]는 다을과 같이 표시된다.

• 직류와 교류

전원을 분류하면 직류(DC-Direct Current)와 교류(AC-Alternating Current)로 구분이 된다. 직류는 시간에 관계없이 방향과 크기가 일정한 전기에너지를 공급하는 것이다. 교류는 규칙적으로 일정한 주기를 갖고 크기와 방향을 바꾸는 전원으로 보통 정현파(사인파)의 성격을 갖는다.직류전원은 시간에 관계없이 일정하게 전압이 공급되므로 극성이 일정하고 위상이란 것이 존재하지 않는다. 그러나 교류전원은 일정한 주기로 전압의 값이 바뀌게 되므로 (+)와 (-)의 개념이 없다. 대신에 주파수라는 것을 가지게 되며, 위상이라는 것이 존재한다.

위상은 임의의 기준점에 대한 상대적인 차이를 말하며, 보통은 1사이클을 360^o나 2π라디안으로 해서 각으로 나타낸다. E_msin(ωt+θ)는 E_msin(ωt)보다 θ만큼의 위상차가 있다고 할 수 있다.

우리 나라의 경우는 60[Hz]의 주파수를 갖으며, 단상의 경우는 180^o_, 3상의 경우는 120^o의 위상차를 갖는다. 3상 교류의 경우에는 전기를 발생하는 코일의 위치를 120^o(2π/3라디안)의 간격을 두어 발전하기 때문에 3개의 사인파 전압이 발생하고 각 상의 위상차가 120^o가 되는 것이다.

교류전압의 순시값은 E_msinωt로 표현되는데, E_m은 최대값으로 계측기에서는 실효값을 사용하기 때문에 계측기 눈금의 √2배에 해당하는 값이다.

• 옴의 법칙

• 전기저항

도체는 전기가 잘 통하는 물질이기는 하나, 그 종류에 따라 또는 굵기나 길이에 따라 전류를 통하는 정도가 다르다. 수돗물의 경우를 생각해 보면 수압이 같은 경우, 물의 양은 파이프가 굵을수록 많아지고 가늘수록 적어진다. 파이프의 굵기가 같더라도 그 내면의 거칠기에 따라 흐르는 물의 양은 달라진다. 이와 같이 도체에 전류가 흐를 경우에도 전류의 흐름을 방해하는 작용이 존재하며 도체의 종류나 굵기, 길이 등에 따라 달라지는데 대체로 길이에 비례하고 단면적에는 반비례한다. 이러한 전류의 흐름을 방해하는 작용을 전기저항 또는 단순히 저항(resistance)이라 하고 단위로는 옴(ohm:[Ω])을 사용한다. 또한 전류가 잘 흐르는 정도를 나타내는 상수로는 컨덕턴스(conductance, G)를 사용하며, 단위로는 지멘스(S), 또는 모(mho)를 사용한다.

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전기회로에는 옴의 법칙이 적용될 수 있다. 즉, 회로에 흐르는 전류는 가해준 전압에 비례하고 회로의 저항에 반비례함을 말하는 것으로, 같은 전압을 가해준 상태에서도 부하의 저항값에 의해 회로에 흐르는 전류가 다르게 나타난다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.

• 절연저항

절연물은 부도체이며 전류를 흘리지 않는 것이지만, 매우 적기는 하나 절연물의 표면 또는 내부를 통하여 전류가 흐를 때가 있는데 이와 같은 전류를 누설전류(leakage current)라 하고 [MΩ]단위로 표시할 정도로 큰 값이다. 또 절연물에 가하는 전압이 높을수록 절연 저항은 적게 된다.

• 접지저항

전기회로의 한 끝에 구리판이나 금속관을 접속하여 땅에 묻는 것을 접지(earth)라고 한다. 전기기기의 외함 등을 접지하면 절연이 나빠져서 전류가 누설되더라도 감전사고의 위험성이 적어진다. 접지에 사용되는 구리판이나 금속관을 접지전극이라 하고 접지전극과 대지사이에 저항을 접지저항이라 한다. 전기기기를 사용할 때에는 위험방지를 목적으로 접지공사를 하도록 법령으로 정해져 있다.

또한, 누전이라 하는 것은 전선의 절연이 파괴된 부분이 빗물받이 등에 접촉하여 전류가 흐르는 경우로서 감전이나 화재의 원인이 된다.

• 저항의 접속법

실제의 전기 회로는 2개 이상의 저항을 접속하여 구성하는 경우가 많다. 저항의 접속 방법에는 기본적으로 직렬접속, 병렬접속, 직 병렬 접속이 있다.

• 직렬접속

저항의 직렬접속에서는 전체저항값이 직렬접속된 저항들의 합이 되므로 전체저항은 각 저항값의 합이 된다. 이 전체저항을 이 직렬접속의 합성저항 또는 등가저항이라 부른다.

직렬접속의 각 저항 R₁[Ω], R₂[Ω], R₃[Ω]의 합성저항 R[Ω]은 다음과 같이 된다.

• 병렬접속

저항의 병렬접속에서는 전체저항값이 직렬접속된 상태와는 달리 다소 복잡하게 계산된다. 전체저항값이 작아진다.

병렬접속의 각 저항 R₁[Ω], R₂[Ω], R₃[Ω]의 합성저항 R[Ω]은 다음과 같이 된다.

    

• 직 병렬접속

직 병렬 접속은 직렬접속과 병렬접속을 조합한 것이다. R₁[Ω], R₂[Ω]를 병렬로 접속하고 여기에 R₃[Ω]을 직렬로 접속하면 저항 R₁[Ω], R₂[Ω], R₃[Ω]의 합성저항 R[Ω]은 다음과 같이 된다.

• 전력

전력은 단위 시간 동안의 전기 에너지를 나타내는 말로서 1[sec] 동안에 1[J]의 일을 할 때 1[W]의 전력이 된다. 따라서 전력이 크다는 것은 단위 시간에 소비하는 전기 에너지가 큰 것을 뜻한다. 1[W]는 1[J/sec]와 같은 단위이다. V[V]의 전압을 가하여 1[A]의 전류가 t[sec]동안 흘러서 Q[C]의 전하가 이동되었을 때의 전력 P는 다음과 같다.

       



이와 같이 단위시간의 전기에너지를 전력이라 하고 단위 시간의 기계에너지는 동력 또는 공률이라 한다. 전동기와 같은 기계 동력의 단위로 사용되는 마력[HP]과 [W]사이에는 1[HP]=746[W]의 관계가 있다.

• 전력량

전력량은 전기에너지(일)를 나타내는 말이다. 즉, V[V]의 전압에서 I[A]의 전류를 t[sec]동안 흘릴 때의 전력량은 다음과 같다.

 

따라서 전력량은 전력에 시간을 곱한 것이라고 할 수 있으며, 단위로는 보통 [J]보다 [W.sec]를 사용하고 있다. 그러나 실용적으로는 이보다 큰 단위인 [kWh]의 단위가 주로 사용되고 있다.

• 줄의 법칙

저항 R[Ω]에 전류 I[A]가 t[sec]동안 흘렀다면 이 저항에서 소비되는 에너지는 전부 열에너지로 바뀐다는 것이 줄(Joule J.P.)에 의하여 실험적으로 확인되었다. 이것을 줄의 법칙이라 하고 이 때 발생하는 열을 줄열 또는 저항열이라 한다. 열량은 칼로리(cal)라는 단위를 사용하므로 전기에너지에 의한 발생 열량 H는 다음과 같다.

    

• 쿨롱의 법칙

• 정전기에 관한 쿨롬의 법칙(Coulomb's Law)

   

• 자석에 관한 쿨롱의 법칙

   

• 전류에 의한 자기현상

• 오른 나사의 법칙

그림과 같이 전선에 전류를 흘리면 전선을 중심으로 하는 동심원으로 하여 자력선이 형성되며 전선에서 멀어질수록 그 힘이 약해진다. 또한 그 방향은 오른 나사가 진행할 때의 회전방향과 같게 나타난다.

• 전자력과 전자유도

• 전자력

자장 속의 도체에 전류를 흘리면 힘 F가 도체에 작용하게 되는 데, 이와 같이 자장과 전류 사이에 작용하는 힘을 전자력이라고 한다. 이 힘의 방향은 플레밍의 왼손 법칙을 적용하여 알 수 있다.

• 전자유도

전류는 자장을 만들지만 반대로 자장을 이용하여 전류를 만들어 낼 수도 있다. 그림과 같이 코일 속에 자석을 넣었다 빼었다 하면 코일에 기전력이 발생하여 전류가 흐르는 데, 이 현상을 전자유도라 하고 '전자유도에 의하여 회로에 유도되는 기전력은 이 회로와 쇄교하는 자속이 증가 또는 감소하는 정도에 비례한다.'(패러데이의 법칙) 또한 '전자 유도작용에 의하여 회로에 생기는 유도전류는 언제나 유도작용을 일으키려는 원인을 막으려는 방향으로 흐른다.'(렌쯔의 법칙)에 의해 다음 식과 같이 나타난다.

    

• 변압기의 원리

그림과 같이 철심에 횟수 N₁, N₂의 두 코일 P, S를 감고 P코일에 교류를 흘려주면 이 값은 주기적으로 변화한다. 1차측은 전자석, 2차측은 발전기로 생각하면 쉽게 이해할 수가 있다.

따라서 철심 안의 자속 Φ_m은 주기적으로 변화하게 되므로, 전자유도작용에 의해 P, S의 코일에 유도 기전력이 발생한다.

이때 P, S코일의 유도 기전력을 E₁, E₂라고 하고, 누설자속이 없는 이상적인 변압기라고 가정하면 다음 식과 같이 나타난다.

• 교류 회로 이론

• 정현파 기전력의 발생

자장 중에 도체를 회전시키면 기전력이 발생하는데, 가장 간단한 장치는 N, S극을 갖는 2극 발전기이다. 그림(a)과 같이 코일을 N회 감은 도체를 N, S평등 자장 내에 놓고 자계와 직각의 위치에 있을 때 도체내의 자속을 Φm이라 한다. 이 도체가 θ만큼 회전하여 그림(b)의 위치에 왔을 때 도체 내를 통과하는 자속 Φ는 다음과 같다.

 

이 도체가 일정한 각속도 ω[rad/sec]로 회전할 때 도체 내에 유기되는 기전력은 전자유도법칙에 의해 다음과 같다.

 

여기서 Em은 정현파 전압의 최대값 또는 진폭이라 하고, e는 각 순간에서의 전압값이므로 전압의 순시값이라 하며, 교류 순시값이 0으로 되는 순간부터 다음 0으로 되는 순간까지의 순시값의 평균을 평균값이라 한다. 실효값은 교류 전압과 전류를 표시할 때 가장 많이 쓰이는 것이다. 교류전압을 가해 발생한 열량과 같은 크기의 발열량을 내는 직류 전압값으로 표시하는 것으로 실효값과 최대값 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.

                

• 정현파 기전력의 표시법
  　

 

• 직각좌표 형식      
•  
• 삼각함수 형식      
•  
• 지수함수 형식      
•  
• 극좌표 형식         

• 교류전력

• 평균전력

직류회로에서는 전압과 전류가 일정하므로 직류전력은 V와 I의 곱으로 구하지만 교류전력은 전압과 전류의 값이 시간에 따라 변하기 때문에, 각 순간에 대한 전력(순시전력)도 변화하므로 교류전력을 표시할 때는 한 주기의 평균치인 평균값을 사용한다.(cosΘ는 역률)

 

• 피상전력과 무효전력

피상전력은 전압의 실효값 V와 전류의 실효값 I의 곱인 VI로 정의하며, 그 기호는 Pa를 사용하고 단위는 [VA], 또는 [kVA]를 사용한다.

 

평균전력은 다음 식으로 나타난다.

무효전력은 전압의 실효값 V와 전류의 실효값 I, V와 I의 무효율 sinθ의 곱인 VIsinθ로 정의하며 기호는 Pr을 단위는 [Var], [kVar]를 사용한다.

 

• 평형 3상 교류 회로의 결선

• 성형 결선(star connection, Y결선)

그림과 같이 3상 기전력 Ea, Eb, Ec의 각상에 Z∠0의 임피던스 부하를 접속하고 O-O'의 선(중성선)을 한 선으로 모아 결선하는 방법을 3상 4선식이라 한다. 또 이 중성선에는 Ia, Ib, Ic의 전류가 흐르게 되는데 방향이 모두 같고 각각 120°의 위상차가 있으므로 Ia+Ib+Ic=0이 되어 중성선에는 전류가 흐르지 않게 된다. 즉 중성선을 생략해도 된다. 이와 같이 중성선을 생략한 연결법을 3상 3선식 성형결선이라 한다. 우리 나라의 교류전원은 120°의 위상차를 가지는 평형 3상으로 발전하고 있으며 일반적인 송전선로는 3상 3선식을 채택하고 있다. 여기서

      

• 3각 결선(delta connection, Δ결선)

그림과 같이 전원과 부하를 연결하는 방법을 3각 결선(Δ결선)이라 한다.



여기서

       

• 평형 3상회로의 전력

평형 3상 회로의 전력은 상이 3개이므로 1상 전력의 3배가 된다. Y결선과 Δ결선에 관계없이 같다.

 

• 전기기기

• 직류발전기의 원리

도체가 자속을 끊으면 도체에는 플레밍의 오른손 법칙에 따라 기전력을 유도한다. 전자석을 만들기 위해 전류를 흘려주는 것을 여자(exciting)한다고 하는데 이 여자 방식에 따라 타여자발전기, 자여자발전기로 분류한다. 또 자여자에서 계자권선과 전기자권선의 연결상태에 따라 직권, 분권, 복권으로 분류된다.



직류발전기의 자속은 계자권선 뿐만 아니라 부하가 걸리고, 전기자권선에 전류가 흐르면 기자력이 발생하여 새로운 자속이 발생한다. 이 자속은 회전방향을 향해서 앞쪽의 자속밀도는 증가하고 뒤쪽은 감소하여 주자속은 전체적으로 회전방향으로 기울어지는 편자작용을 일으킨다. 이와 같이 전기자 전류가 주자속에 영향을 미치는 작용을 전기자 반작용이라 한다. 이 전기자 반작용 때문에 브러시의 위치를 앞쪽으로 이동시키고, 반작용의 자속을 상쇄시키는 보상권선과 보극을 설치하고 있다

      

• 직류전동기의 원리

직류전동기는 직류발전기와 구조가 같고 한 대의 직류기를 발전기, 또는 전동기로 사용할 수 있다. 도체에 전류을 흘리면 플레밍의 왼손 법칙에 의하여 전자력이 발생하여 전기자가 회전하게 되는데 전기자가 회전하게 되면 도체는 자속을 끊으므로 플레밍의 오른손 법칙에 의해 유기기전력이 발생되고 그 방향은 반대가 된다. 이 기전력을 역기전력이라고 한다.

• 직류전동기의 종류

• 분권 전동기

계자권선과 전기자권선이 전원에 대하여 병렬로 접속된 전동기로서 송풍기, 컨베이어, 공작기계, 인쇄기 등 정밀한 속도제어용으로 사용된다.

• 직권전동기

계자권선과 전기자권선이 직렬로 접속된 전동기로서 다른 전동기에 비해 일정한 전류에 대해서 큰 토크를 발생하므로 기동토크가 상당히 요구되는 전차, 전기기관차, 내연기관 기동용, 크레인 및 권상기 등의 운전에 적합하다.

• 복권전동기

직권계자권선과 복권계자권선을 가지고 있어서 분권 또는 직권전동기의 특성을 임의로 갖게 할 수 있다. 분권계자권선이 있음으로써 무부하에서의 위험한 속도를 방지할 수 있으며 크레인, 엘리베이터, 공작기계 등의 운전에 사용된다.

• 전동기의 기동

정지중의 전동기는 역기전력이 발생되지 않으므로 이것에 직접 정격전압을 인가하면 정격전류에 비하여 대단히 큰 전류가 흘러 전동기나 전원에 큰 충격을 줄 염려가 있다. 따라서 전동기를 기동할 때는 전기자회로에 직렬로 저항을 삽입하거나, 공급전압을 낮추어 기동하는 등의 기동방법을 선택하여야 한다.

• 직류전동기의 역회전 결선

직류전동기의 회전방향을 반대로 하려고 할 때 전동기의 단자전압의 극성을 반대로 하여도 역전되지 않는다. 그 이유는 자속 Φ와 전기자전류 Ia의 방향이 동시에 반대가 되므로 회전방향이 역전되지 않는다. 따라서 전기자회로나 계자회로 중 어느 하나만 바꾸어 주어야 한다.

• 전동기의 원리

• 유도 전동기의 원리

다상 유도 전동기의 기본 원리는 아라고의 원판실험에 의하여 실현되었다. 구리 또는 알루미늄으로 만든 원판을 축으로 회전할 수 있게 하고, 이 원판 주변을 자석이 움직이면 원판은 자석보다 늦은 속도로 같은 방향으로 움직인다.



그 이유는 먼저 자기에너지가 있고 힘(자석의 운동)이 있으므로 플레밍의 오른손법칙을 적용하여 원판에 전류가 발생하고 그 방향은 원판의 중심으로 들어가는 방향이 되는데, 전류는 도체의 표면으로 흐르려는 성질이 있으므로 다시 원판의 원주 쪽으로 흘러서 그림과 같이 맴돌이전류(와전류)를 형성한다. 또 이 맴돌이전류와 자석에 의하여 원판에 힘이 작용하게 되는데 그 방향을 플레밍의 왼손법칙을 적용하여 알아보면 자석이 움직이는 방향과 같음을 알 수 있다.

유도전동기는 자석을 움직이는 대신에 고정자권선을 하고 3상 교류를 주어 회전하는 자장을 만들어서 자석을 움직인 것과 같은 효과를 이용하여 회전력을 얻어내는 구조로 되어 있다.

유도전동기의 회전속도는 다음과 같다.

 

단상유도전동기는 기동토크가 없어 기동이 되지 않으므로 분상기동형, 콘덴서 기동형, 셰이딩코일형, 반발기동형 등의 기동방법을 사용하고 있다.

정지하고 있는 대형 3상 유도전동기에 전 전압을 가하면 매우 큰 기동전류가 흘러 전동기의 권선을 파열시키거나 회로보호용 차단기가 트립되는 경우가 있으므로 기동보상기를 사용하거나 Y-Δ기동법 등을 사용하여 기동하여야 하며, 회전속도는 주파수(f), 극수(P), 슬립(s)중 어느 하나를 변화시켜서 제어할 수 있다. 슬립을 조정하는 경우는 권선형 유도전동기의 회전자권선에 직렬저항을 접속하여 속도제어를 하는 것이며, 주파수를 조정하려면 별도의 가변주파수 전원이 있어야 한다. 극수를 변환시키는 방법은 독립된 2개의 고정자권선을 감아 극수를 변환시키는 방법을 쓰고 있다.

• 펄스모터의 원리

펄스모터는 스테핑 모터, 계동 모터, 디지털 모터 등으로 불리고 있으며 일반적으로 스테핑모터로 총칭되고 있다. 펄스 모터는 고정자에 다상 권선을 감고 그 내부에 돌극형 회전자를 배치하고 고정자권선을 차례로 여자 시키면, 회전자가 흡인되어 회전하게 된다. 이와 같이 고정자권선을 순서대로 여자 시키면 회전자는 설계된 각도만큼씩 스텝(step)식으로 회전하게 된다. 1상 여자방식은 주파수가 높아 가면 난조현상이 발생되는 결점이 있어 2상 여자방식을 사용하면 한 스텝의 각도는 1상 여자방식의 1/2이 된다. 또 펄스를 공급하기 위하여 트랜지스터 및 다이오드 등의 반도체를 사용한 별도의 회로가 있어야 한다.

• 리니어모터의 원리

리니어모터는 직선운동을 하는 전동기로서 원리는 유도전동기와 같다. 다만 유도 전동기의 회전자를 평면 배치한 것이다. 리니어모터는 직선운동이 간단히 얻어지고 고장 보수가 용이하므로 커튼, 레일도어 등에 사용되고 있다.

• 회로시험기, 전류계, 전압계를 이용한 전기측정

• 회로시험기의 구성

회로시험기는 한 대의 계기로 전압과 전류, 저항을 측정하는데 주로 사용하며, 단락 점검과, 다이오드, TR 및 기타 여러 가지 전자 부품의 양 부 판별도 할 수 있다. 그림은 아날로그 회로시험기의 그림으로 선택스위치를 조정해가면서 측정이 가능하다.

회로시험기의 각부 명칭은 다음과 같다.

①은 트랜지스터의 극성을 알아보기 위한 소켓으로 ④를 TR의 위치에 놓으면, ②가 교대로 점멸하는데 트랜지스터의 극성이 맞으면 한 쪽에만 점등된다.

③은 측정할 단자를 삽입하는 곳으로 적색이 (+)가 되게 극성에 주의하여 삽입한다.

④는 전환 스위치로 측정하고자 하는 곳을 선택하여 돌려놓는다. 측정 단자가 연결된 상태에서 돌리지 않도록 주의한다.

⑤는 저항을 측정하기 전에 측정 단자를 단락시켜 0[Ω]이 되게 조정하는데 사용한다.

⑥은 눈금이 0의 상태에 오도록 조정하는 부분으로 평상시에는 거의 사용치 않아도 되는 부분이나, 충격 등의 요인으로 발생된 오차를 보정할 수 있다.

⑦의 아래 부분에 회로시험기의 중심부인 가동부가 있다. 이 부분이 측정되는 값에 의해 바늘이 움직이게 하는 부분이다.

⑧은 눈금을 읽는 부분으로 반사거울의 바늘과 실제 바늘을 일치시켜 읽도록 한다.

• 전류계

전기회로에서 전류란 수도관에서 물의 흐름과 같이 생각할 수 있다. 수압에 의해 수도관에 물이 흐르게 되는데, 가정에서 물의 흐르는 양은 유량계(수도 계량기)를 사용하여 측정할 수 있으며, 수도관의 중간에 유량계를 연결하여 사용하고 있다. 이처럼 전기회로에서도 전류의 양을 측정하기 위한 계기가 전류계이며, 회로의 중간에 넣어 측정해야 한다. 즉, 측정하고자 하는 부하와 직렬로 연결하여 사용하여야 함을 말하는 것이다. 다른 것이 있다면 유량계는 물의 양을 누적하는 것이고, 전류계는 순간 순간에 흐르는 전류의 양을 측정하는 것이다.

이와 같이 전류계는 전기회로에 흐르는 전류의 양을 측정하기 위한 계측기로 측정하려는 부하와는 항상 직렬로 연결되어야 한다. 전류계는 내부저항이 아주 작게 설계되어 있어 회로와 병렬로 연결할 경우에는 단락되는 현상이 초래되어 엄청난 전류가 흘러 전류계의 소손을 가져오게 되므로 주의해야 한다. 그리고 직류회로의 측정에서는 극성에 주의하여야 하며, 전류계는 측정 범위를 잘 선택하여 측정하여야 하고, 바늘이 무리하게 돌아가는 일이 없도록 한다. 회로에 흐르는 전류를 전혀 예측할 수 없는 경우에는 최고 단자를 선택하여 한 단계씩 내려가면서 측정한다.

• 전압계

전압이란 전기적인 위치에너지(전위)의 차이라고 볼 수 있다. 돌을 공중으로 던지면 늘 바닥으로 떨어진다. 이러한 현상은 위치에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 것으로, 만약 위치에너지가 같다면 떨어지지 않을 것이다. 전기회로에서도 전위의 차가 없다면 전류가 흐르지 않는다. 수압이 걸리지 않은 수도관에는 물이 흐르지 않는 것과 같다. 같은 수도관에서 수압이 높으면 많은 양의 물이 흐르는 것처럼 전기회로에서 전위의 차(전압)가 클 수록 많은 전류가 흐르게 된다. 이러한 두 지점의 전위차를 측정하기 위해서 전압계를 사용하며, 측정하고자 하는 부하(측정대상)의 양단을 연결하여 사용한다. 즉, 부하와는 병렬로 연결되어야 한다. 이처럼 연결된 두 지점의 전위차를 알아볼 수 있는 계측기가 전압계인 것이다.

• 저항값의 측정

1. 회로시험기의 적색 리드선을 V,Ω,A(+)에, 흑색을 COM(-)에 연결한다.
2. 전환 스위치를 저항의 측정 위치에 놓는다. 이때 저항의 크기보다 큰 측정 배율이 되도록 배율을 조절한다.
3. 0[Ω] 조정을 하고, 회로시험기의 리드선을 측정할 저항의 양 단자에 연결한다.
4. 지침과 거울에 비친 바늘 그림자가 일치되도록 시선을 맞추고 저항값을 읽는다.
5. 측정단자에서 회로시험기의 리드선을 제거하고, 전환 스위치를 OFF의 위치로 돌려놓는다.

• 다이오드의 양부측정

1. 회로시험기(테스터)와 다이오드를 준비한다.
2. 회로시험기(테스터)의 레인지를 저항(R)에 놓는다.
3. 회로시험기의 흑색리드선을 왼쪽에 적색리드선을 오른쪽에 연결한다.
4. 흑색 리드선을 한 쪽 극에, 적색 리드선을 다른 쪽 극에 접속한다.
5. 회로시험기의 지침이 Zero(0)쪽으로 이동하는지를 확인한다.
6. 리드선을 반대로 연결하고 (5)항목을 확인한다.
7. 두 번 모두 움직이던가 모두 움직이지 않는다면 이상이 있는 다이오드이다.
8. 한 쪽만 동작하였을 때 흑색리드가 연결된 쪽이 다이오드의 P형이 된다.

• 발광 다이오드와 CdS광전소자의 양부판정

1. 다이오드의 극성 찾기와 같은 방법으로 양부를 판별한다.
2. 발광 다이오드에서는 발광이 되므로 테스터의 지침을 보지 않아도 쉽게
3. 광전소자의 경우 손으로 빛을 차단하면 저항값이 변화하는 것을 확인하면 된다.

• PNP형 트랜지스터의 극성 찾기

1. 테스터의 레인지를 ×1[R]에 놓고 적색리드를 한 극에 고정시키고 흑색리드를 다른 두 극에 각각 접속하여 테스터의 지침이 모두 움직인다면 그 극이 베이스가 된다. 여기서 한 쪽만 움직인다면 적색리드를 다른 극에 놓고 반복하여 실험한다. 또 모든 극에서 나타나지 않는다면 이 트랜지스터는 PNP형이 아니거나 불량이라고 볼 수 있다.
2. 테스터의 전환스위치를 ×10[kR]에 놓고, 베이스를 제외한 두 극에 테스터의 두 리드선을 접속하고 지침을 확인한다.
3. 테스터 리드선을 반대로 접속하여 보고 지침을 확인한다.
4. 많이 움직였을 때의 적색 리드선에 접속된 극이 이미터가 되고 흑색 리드선이 컬렉터가 된다.
5. NPN형에서는 색깔이 반대로 된다.

   

   

• 오실로스코프의 사용

오실로스코프는 시간적으로 변하는 전기적인 신호를 음극선관의 스크린에 나타낼 수 있도록 만든 계측기이다. 이는 눈으로 볼 수 없는 전기적인 여러 현상을 전자빔을 이용하여 나타낸 것이다. 음극에서 방사되는 전자빔에 전기장을 가하여 편향을 일으키고 이를 음극선관(CRT)의 형광막에 투사하여 빛으로 나타내는 것으로 편향판의 전위에 따라 전자빔의 방향이 바뀜으로 가해준 전위를 볼 수 있는 것이다. 수평 편향은 일정한 시간을 주기로 편향을 하며, 수직편향은 전위에 따라 편향이 되므로 수평축에서는 시간의 함수인 주기를 알 수 있으며, 수직 축에서는 전위의 크기를 측정할 수 있다.

오실로스코프의 화면은 음극선관이므로 휘도와 초점을 조절한 후 사용하며, 우선 모든 기준값(division당의 시간과 전위의 크기)을 설정하여 맞추어 수평축의 기준과 수직축의 기준을 맞춘다.

1. ① POWER스위치: 누르면 전원이 공급되고 다시 누르면 전원이 차단된다.
2. ② INTEN: 휘도조절
3. ③ FOCUS: 전자빔의 초점 조절
4. ④ CH1: 1채널의 입력신호 접속부로 X-Y동작 시는 X축의 신호입력.
5. ⑤ CH2: 2채널의 입력신호 접속부로 X-Y동작 시는 Y축 신호입력.
6. ⑥,⑦ AC, GND, DC: AC입력 시, GND기준점 필요시, DC입력 시 선택.
7. ⑧,⑨ VOLTS/DIV: 수직편향 감도를 조절하는 것으로, 음극선관의 1칸 당 전압의 크기를 나타내는 값이며 PROBE(오실로스코프의 측정단자)의 값을 고려하여 조절한다. 여기서는 PROBE의 상태를 ×10의 모드에서 사용하므로 .5[V]에 있을 경우 1칸의 전압은 5[V]가 되므로 주의한다.
8. ⑩,⑪ VARIABLE: 수직 편향감도를 연속적으로(미세) 조정하는 것으로 우측으로 돌려진 상태에서 사용한다. 최 좌측 시는 1/2.5이하로 감쇠하며, 잡아당기면 5배로 증폭 측정되므로 주의한다.
9. ⑫,⑬,⑭ POSITION: CH1, CH2의 좌우 위치조절 및 상하 위치를 조절한다.
10. ⑮ CH1, CH2, DUAL, ADD: CH1 신호만 입력, CH2신호만 입력, 두 신호 동시 입력, 두 신호의 대수합으로 신호 입력을 선택하는 스위치.
11. TIME/DIV: X축 1칸 당의 시간을 나타내기도 하며, 본 실습장에서는 0.2 [mSec]로 초기값을 놓고 실습을 하게 된다. 또 X-Y상태는 리사주 도형을 관찰할 수 있다.