개념 한 쪽
전기공사기사 동기발전기의 구조와 원리 — 주변속도와 출력 계산, 전기각
동기발전기의 구조 및 원리 세트는 발전소의 3상 교류 발전기 종류, 전기자와 계자가 모두 고정된 고주파 발전기의 구조, 제동권선의 효과, 회전자 주변속도로 최대지름을 구하는 계산, 회전자 둘레와 주변속도의 관계, 부하각으로 3상 출력을 구하는 계산, 회전수에 따른 유도기전력 변화, 돌극형 발전기의 특성, 기계각에 대응하는 전기각을 묻는다.
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뜻
우리나라 발전소에서 3상 교류를 만드는 대형 발전기는 동기발전기다. 회전자의 자계를 회전자와 같은 속도로 돌려 전기와 회전 속도를 맞춘다.
보통의 동기발전기는 전기자와 계자 중 하나가 회전하지만, 고주파 발전기는 전기자 권선과 계자 권선을 모두 고정하고 유도자만 회전시킨다.
회전자 겉면의 주변속도는 각속도와 지름의 관계로 정해진다. 주변속도는 각속도에 반지름을 곱한 값이므로, 4극 60Hz 발전기는 1,800rpm으로 돌고 주변속도를 200m/s 이하로 하려면 최대지름이 약 2.1m가 된다. 6극 60Hz 발전기는 1,200rpm으로 돌고 주변속도 400m/s 이하에서 최대지름이 약 6.37m가 된다. 회전자의 둘레를 2배로 하면 같은 회전수라도 겉면이 움직이는 거리가 2배가 되어 주변속도도 2배가 된다.
3상 출력은 상마다 전압과 유도기전력, 동기리액턴스, 부하각으로 정해지고 세 상을 합해 구한다. 전기자저항 0.2Ω, 동기리액턴스 20Ω인 Y결선 발전기에서 1상 단자전압 4400V, 유도기전력 6600V, 부하각 30°이면 출력은 약 2,178kW다.
유도기전력은 회전수에 비례한다. 1상 유도기전력 6000V인 발전기를 900rpm에서 1800rpm으로 두 배 올리면 유도기전력은 12000V가 된다.
돌극형 발전기는 돌출된 극 때문에 축 방향과 횡 방향의 리액턴스가 다르고, 자속 분포 때문에 릴럭턴스 토크가 생긴다. 그래서 단순히 부하각 90°에서 최대가 되는 규칙을 그대로 적용할 수 없다.
기계각과 전기각은 극쌍 수만큼 차이가 난다. 전기각은 기계각에 극쌍 수를 곱한 값이므로, 12극 발전기에서 기계각 15°에 대응하는 전기각은 90°다.
예제
출제 패턴은 네 가지다. ① 주변속도 — 동기속도로 각속도를 구하고, 허용 주변속도에서 지름을 역산한다. ② 출력 — 상마다 전압×유도기전력÷동기리액턴스×sin(부하각)을 구해 세 배 한다. ③ 유도기전력 — 회전수가 두 배면 기전력도 두 배다. ④ 전기각 — 기계각에 극쌍 수를 곱한다. 제동권선은 흔들림과 진동을 줄여 파형을 안정시키는 역할이며, 기계적으로 더 큰 과부하를 견디게 하는 장치는 아니다.
자주 묻는 물음
- 4극 60Hz 동기발전기에서 주변속도를 200m/s 이하로 하려면 회전자 최대지름은?
- 약 2.1m입니다. 1,800rpm의 각속도에서 주변속도가 200m/s가 되는 지름을 역산합니다.
- 3상 동기발전기의 출력은 어떻게 구하나요?
- 상마다 전압과 유도기전력의 곱을 동기리액턴스로 나눈 값에 sin(부하각)을 곱하고, 세 상을 합합니다. 4400V·6600V·20Ω·30°이면 약 2,178kW입니다.
- 12극 발전기에서 기계각 15°에 대응하는 전기각은?
- 90°입니다. 전기각은 기계각에 극쌍 수를 곱한 값이고, 12극의 극쌍 수는 6입니다.
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