스크랩 산업기사이론 전동기, 발전기, 변압기의 원리

[美세상(최승일)]

<변압기의 기본원리>

그림과 같이 성층 철심에 권선n1(1차측)과 n2(2차측)를 감고 1차에 전류를 흘리면 1차권선에 흐르는 전류에 의해 1차측 철심에 자속이 발생하고 이 자속은 철심을 통해 2차권선을 쇄교한다.

2차권선의 내부에 있는 철심에서는 1차권선에 의한 자속의 변화를 방해하는 방향으로 자속이 발생하고 이 자속에 의해 2차권선에 기전력이 발생하여 전류가 흐르게 된다. 

그러나 이때 발생한 전류는 잠시후면 없어지게 된다. 이는 1차측 권선에 의한 자기장의 크기에 변화가 있어야만 전류가 유도 된다는 것을 설명하는 것으로, 2차측에 계속적인 전류가 발생하기 위해서는 자기장의 변화를 위해 1차측에 교류를 흘려주어야 한다.

1차전압에 대한 2차전압은 권선수에 비례한다. 즉 (v1/v2) = (n1/n2)의 관계가 성립하고 이를 변압비라 한다.

<종류>

변압기는 전원의 상수에 따라 단상과 3상 변압기로 나뉘며 철심의 구조에 따라 내철형, 외철형, 권철심형이 있다. 또한 권선 하나로 1차와 2차를 공동으로 사용하는 단권 변압기가 있는데, 이는 변압비가 2보다 작은 범위내에서 승압 및 강압을 할 때에 효율이 좋아 가정용 전압 조정기로 사용된다.

<유도 전동기의 원리>

유도 전동기의 회전 원리는 Arago의 원판의 실험에서 발전하였다.
아래 그림과 같이 회전 가능한 도체 원판 위에서 자석의 N극을 시계 방향으로 회전시키면 상대적으로 원판은 자기장 사이를 반시계 방향으로 움직이는 것과 같다.

 따라서 플레밍의 오른손 법칙에 따라 원판의 중심으로 향하는 기전력이 유도된다

이 기전력에 의한 맴돌이 전류가 흐르고, 이 전류에 의해 플레밍의 왼손 법칙에 따라 원판은 전자기력을 받아 시계 방향으로 회전한다.

즉, 원판은 자석이 회전하는 방향과 같은 방향으로 움직인다. 이 때, 원판은 자석보다는 빨리 회전할 수는 없다. 또한, 원판이 자석과 같은 속도로 회전한다면 원판이 자석의 자기장을 쇄교할 수(자를 수)없으므로 원판은 반드시 자석보다 늦게 회전한다.
자석을 회전시키는 대신에 3상 교류로 회전자기장을 만들어 주면, 같은 원리로 원판은 회전한다.

<유도 전동기의 분류>

유도 전동기는 전원에 따라 3상 및 단상 유도 전동기로 나뉜다. 3상 유도 전동기는 다시 회전자의 구조에 따라 농형과 권선형으로 나누어 진다.
※ 농형(籠型) : 회전자의 모양이 바구니의 모양이란 뜻이 있으며, 영어로는squirrel cage rotor란 의미를 담고있다.

(1) 농형 유도 전동기

특징 :
- 구조가 견고하고 취급방법이 간단하다.
- 가격이 저렴하다.
- 속도 제어가 곤란하다.
- 기동토크가 작다.
- 슬립링이 없기 때문에 불꽃이 없다.

용도 : 소용량(5kW 미만)의 기계동력으로 사용된다.

(2) 권선형 유도 전동기

특징 :
- 속도제어가 용이 하다.
- 취급이 번거롭다.
- 가격이 높다.
- 슬립링에서 불꽃이 나올 염려가 있다.

용도 : 5kW이상의 대용량에 사용된다.

<3상 유도 전동기>

아래의 그림과 같이 금속원통의 회전자 주위에 3상(aa' bb' cc')의 전원을 인가하면 시계방향으로 회전자기장이 생긴다. 따라서, 유도전동기의 회전원리에 따라 회전자도 시계방향으로 회전한다.

오른쪽 그림은 3상 농형 유동전동기의 회전자 중 철심에 결합시키는 도체를 나타낸것으로 구리막대(또는 알루미늄막대)와 단락환(端絡環:end ring)으로 되어 있다.
시계방향으로 회전자기장이 생기면 도체(회전자)는 반대방향으로 움직이는 것과 같으며 이 회전자기장에 의한 자속에 의해 플레밍의 오른손 법칙에 따라 회전자에 기전력이 발생한다. 이 기전력은 다시 플레밍의 왼손법칙의 적용을 받아 회전자를 시계방향으로 회전하도록 하는것이다.
이때, 도체가 회전자기장을 쇄교해야 하므로 도체의 회전속도는 회전자기장의 속도보다 느리다.

<단상 유도 전동기>

아래의 그림과 같이 외부의 자석을 회전시키면 내부에 있는 도체 원통도 유도 전동기의 회전원리에 의해서 자석의 회전방향과 같은 방향으로 도는 현상을 이용한다.

아래와 같이 자극 대신에 코일을 이용하면 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 두 코일의 감는 방향을 같은 방향으로 하면 마치 자석의 N극과 S극이 되어 여기에 교류 전원을 연결하면 자기장이 형성된다.

그러나 단상 교류에 의한 교번 자기장은 생기지만, 일정 방향으로의 회전 자기장이 생기지 않기 때문에 자체적으로 기동하지 못한다. 따라서 단상 유도전동기는 먼저 일정 방향으로 기동 회전력을 주는 장치가 있어야한다.

<특징>

단상 유도 전동기의 회전자는 농형이고, 고정자 권선에 흐르는 단상 교류에 의한 자기장은 회전자기장이 아니므로 자체적으로 회전하지 못하여 특별한 장치로 기동시켜 주어야 한다. 이러한 기동 방식에 따라 분상 기동형, 반발 기동형, 셰이딩 코일형, 콘덴서 기동형 등으로 나뉜다.
단상 유도 전동기는 약 400W이하의 소형 전동기, 즉 가정용 펌프, 선풍기, 진공 청소기, 냉장고, 세탁기 및 농업용 등으로 널리 쓰인다.

<3상 동기 발전기>

원통형 성층 철심의 안쪽에 3조의 권선 aa' bb' cc'를 2p/3[rad]의 간격을 두고 배치하고, 그 속에서 자극을 시계방향으로 회전시키면 그림과 같은 3상 교류를 얻는다

N극의 자석이 코일 a를 지날 때 기전력 e1이 발생하고 120° 간격을 두고 코일 b와 c가 배치되어 있으므로 2p/3의 위상 차를 두고 기전력 e2와 e3가 발생한다. 자극이 1회전(1사이클)하는 동안 120°의 간격으로 3개의 기전력이 발생하므로 3상 동기 발전기라 한다.

주파수가 f[Hz]인 교류를 발생시키기 위해서 극수가 P인 동기 발전기를 회전 속도 Ns[rpm]로 회전시키면, f, P, Ns 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립된다.

교류 발전기의 회전 속도 Ns를 동기 속도라 한다.

<3상 동기 전동기>

자극으로 되어 있는 회전자 주위에 자석을 회전시키면 흡인력에 의해서 회전자는 자석이 회전하는 속도와 같은 속도로 시계방향으로 회전한다

자석을 회전 시키는 대신에 위의 그림처럼 3상 권선을 한 고정자의 안쪽에 회전자를 두면, 회전자는 고정자의 회전자기장의 속도와 같은 속도로 회전한다. 단, 정지하고 있는 동기 전동기는 자극이 무거워 회전자기장과 같은 속도로 회전할 수 없으므로, 처음에는 회전자를 동기 속도까지 회전시켜주는 기동 방법이 필요하다.

동기 전동기는 여자기를 필요로 하며 값이 비싸지만, 속도가 일정하고 역률 조정이 쉽기 때문에 정속도 대동력용으로 사용된다. 속도제어가 필요한 경우에는 주파수를 바꾸는 방법을 취한다.

직류 전동기의 원리>

자기장 중에 놓인 도체에 직류 전류를 흘리면 플레밍의 왼손법칙에 의해 도체에 전자력이 발생하여 회전하게 된다

직류 전동기는 속도제어가 용이하기 때문에 전철, 엘리베이터, 압연기 등과 같이 속도 조정이 필요한 경우에 널리 이용된다.

<전동기의 분류>

전동기는 크게 사용 전원에 따라 직류 전동기와 교류 전동기로 구분된다. 직류전동기는 직류 타여자 전동기와 직류 자여자 전동기(직류 분권 전동기, 직류 직권 전동기, 직류 복권 전동기)로 나누어지며, 교류 전동기는 유도전동기, 동기 전동기, 정류자 전동기로 나누어진다. 산업용으로 널리 사용되고 있는 유도 전동기는 단상 전원을 사용하는 단상유도 전동기와 3상전원을 사용하는 3상유도 전동기로 분류되며, 사용전압, 보호형식등에 분류된다.

직류 전동기	직류 타여자 전동기
	직류 자여자 전동기	분권 전동기
		직권 전동기
		복권 전동기
교류 전동기	유도 전동기	단상 유도 전동기
		3상 유도 전동기
	동기 전동기
	정류자 전동기

<직류 발전기의 원리>

교류 발전기의 슬립링 대신 아래 그림과 같이 2조각의 정류자편을 연결한다.
코일의 양 끝을 각각 정류자편에 한쪽씩 연결하고 양쪽에 브러시를 접촉시켜 직류 전류를 얻는다.

 앞서 살펴본 바와 같이 직사각형의 코일이 자기장 내에서 회전을 할 때 발생하는 전류는 교류지만 슬립링 대신 위그림과 같이 2조각으로 된 정류자편을 사용하면 코일이 회전하여 자리를 서로 바꾸어도 브러시는 항상 고정된 위치에서 정해진 코일과 접촉하므로 얻어지는 전류는 방향이 바뀌지 않는 직류가 되는 것이다

<분류>

직류 발전기의 자극은 전자석을 사용하는데, 전자석을 만드는 여자 방식에 따라 자여자 발전기와 타여자 발전기로 분류한다.

(1) 자여자 직류 발전기 : 계자 권선의 여자 전류를 자기 자신의 전기자 유기 전압에 의해 공급하는 발전기이다. 계자 권선과 전기자 권선의 결선 방법에 따라 분권, 직권, 복권 발전기로 나눈다.
(2) 타여자 직류 발전기 : 독립된 직류전원에 의해 계자 권선을 여자 시키는 발전기이다. 여자 전류를 변화시킴으로써 발전 전압을 변화시킬 수 있다.

<용도>

직류 발전기는 전기 화학 공업, 축전지의 충전, 아크 용접기 등과 같이 직류 전원이 필요한 곳에 사용된다.

※ 여자(勵磁) : 권선에 전류를 통해서 자속을 발생 시키는 것.
※ 자속(磁束) : 어떤 면을 지나는 자력선의 수
※ 계자(界磁)권선 : 자속을 발생시키시 위해서 주자극 또는 보극에 감은 권선
※ 전기자(電機子) : 철심과 권선으로 되어있으며 쇄교하는 자속과의 상대적 운동에 의해 기전력을 발생하는 부분
※ 쇄교(鎖交) : 자력선이 코일과 교차하는 것.

교류 발전의 이해   <기본 원리>

그림과 같이 자석의 N극과 S극에 의한 자기장이 존재하는 공간에 코일을 직사각형 모양으로 둔다.
코일을 오른손의 엄지손가락이 가리키는 방향으로(반시계 방향) 회전 시키면 플레밍의 오른손 법칙에 의해 가운데 손가락이 가리키는 방향으로 전류가 흐른다

<교류 발전의 원리>

아래 그림과 같이 코일의 양 끝에 슬립링을 연결시킨다.

이때, 왼쪽의 코일 끝은 안쪽의 링에 연결하고 오른쪽 코일 끝은 바깥쪽의 링에 연결한다.
두 링은 서로 접촉하지 않은 상태이고 코일을 회전 시키면 두 링은 각기 자기의 중심점을 기준으로 제자리 에서 회전 한다. 회전하는 두 링에 각각 브러시를 접촉시키면 기전력을 얻을 수 있다

자기장이 존재하는 공간에서 코일을 회전시키면 전류가 발생하는데, 코일은 회전하면서 자석의 N극과 S극의 자리를 서로 번갈아 지나므로 발생하는 기전력은 교류가 된다.

이 때, 코일의 위치가 수평일 때에는 자기장의 방향과 코일이 움직이는 방향이 나란한 위치에 있으므로 기전력은 발생하지 않는다. 코일이 반시계 방향으로 회전하면 기전력은 점점 증가하고 90°가 되면 기전력이 가장 크게된다. 코일이 회전을 계속하여 180°가 되면 기전력은 다시 0이 된다.

코일이 회전하여 270°의 위치가 되었을 때 기전력은 최대가 되지만 코일의 위치가 N극에서 S극으로 바뀌었으므로 전류의 방향은 바뀌게 된다. 코일이 360°의 위치가 되면 기전력은 다시 0이되고 이러한 사이클이 계속 반복되어 위와 같은 정현파 교류가 발생하게 된다.

<기본 원리>

그림과 같이 자석의 N극과 S극에 의한 자기장이 존재하는 공간에 코일을 직사각형 모양으로 둔다.
코일을 오른손의 엄지손가락이 가리키는 방향으로(반시계 방향) 회전 시키면 플레밍의 오른손 법칙에 의해 가운데 손가락이 가리키는 방향으로 전류가 흐른다

<교류 발전의 원리>

아래 그림과 같이 코일의 양 끝에 슬립링을 연결시킨다.

이때, 왼쪽의 코일 끝은 안쪽의 링에 연결하고 오른쪽 코일 끝은 바깥쪽의 링에 연결한다.
두 링은 서로 접촉하지 않은 상태이고 코일을 회전 시키면 두 링은 각기 자기의 중심점을 기준으로 제자리 에서 회전 한다. 회전하는 두 링에 각각 브러시를 접촉시키면 기전력을 얻을 수 있다.

자기장이 존재하는 공간에서 코일을 회전시키면 전류가 발생하는데, 코일은 회전하면서 자석의 N극과 S극의 자리를 서로 번갈아 지나므로 발생하는 기전력은 교류가 된다.

이 때, 코일의 위치가 수평일 때에는 자기장의 방향과 코일이 움직이는 방향이 나란한 위치에 있으므로 기전력은 발생하지 않는다. 코일이 반시계 방향으로 회전하면 기전력은 점점 증가하고 90°가 되면 기전력이 가장 크게된다. 코일이 회전을 계속하여 180°가 되면 기전력은 다시 0이 된다.

코일이 회전하여 270°의 위치가 되었을 때 기전력은 최대가 되지만 코일의 위치가 N극에서 S극으로 바뀌었으므로 전류의 방향은 바뀌게 된다. 코일이 360°의 위치가 되면 기전력은 다시 0이되고 이러한 사이클이 계속 반복되어 위와 같은 정현파 교류가 발생하게 된다.

<직류 발전기의 원리>

교류 발전기의 슬립링 대신 아래 그림과 같이 2조각의 정류자편을 연결한다.
코일의 양 끝을 각각 정류자편에 한쪽씩 연결하고 양쪽에 브러시를 접촉시켜 직류 전류를 얻는다.

앞서 살펴본 바와 같이 직사각형의 코일이 자기장 내에서 회전을 할 때 발생하는 전류는 교류지만 슬립링 대신 위그림과 같이 2조각으로 된 정류자편을 사용하면 코일이 회전하여 자리를 서로 바꾸어도 브러시는 항상 고정된 위치에서 정해진 코일과 접촉하므로 얻어지는 전류는 방향이 바뀌지 않는 직류가 되는 것이다.

<분류>

직류 발전기의 자극은 전자석을 사용하는데, 전자석을 만드는 여자 방식에 따라 자여자 발전기와 타여자 발전기로 분류한다.

(1) 자여자 직류 발전기 : 계자 권선의 여자 전류를 자기 자신의 전기자 유기 전압에 의해 공급하는 발전기이다. 계자 권선과 전기자 권선의 결선 방법에 따라 분권, 직권, 복권 발전기로 나눈다.
(2) 타여자 직류 발전기 : 독립된 직류전원에 의해 계자 권선을 여자 시키는 발전기이다. 여자 전류를 변화시킴으로써 발전 전압을 변화시킬 수 있다.

<용도>

직류 발전기는 전기 화학 공업, 축전지의 충전, 아크 용접기 등과 같이 직류 전원이 필요한 곳에 사용된다.

※ 여자(勵磁) : 권선에 전류를 통해서 자속을 발생 시키는 것.
※ 자속(磁束) : 어떤 면을 지나는 자력선의 수
※ 계자(界磁)권선 : 자속을 발생시키시 위해서 주자극 또는 보극에 감은 권선
※ 전기자(電機子) : 철심과 권선으로 되어있으며 쇄교하는 자속과의 상대적 운동에 의해 기전력을 발생하는 부분
※ 쇄교(鎖交) : 자력선이 코일과 교차하는 것.