개념 한 쪽
직류발전기의 문항은 전기자 권선법(중권·파권)의 병렬회로수 계산, 병렬운전 조건과 균압선, 발전기 종류별 외부특성 세 축으로 나뉜다. 과복권의 마이너스 전압변동률이 단골 함정이다.
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출제기준 단원 「직류발전기의 원리 등」의 공개 문제 11개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 권선법 병렬회로수 계산 | 4 | 중권→파권 전압·전류 환산, 편간 전압(aV/k), 회로당 전류 |
| 병렬운전·균압선 | 3 | 균압선 불필요(분권)·필요(직권·복권), 조건에서 잘못된 항 |
| 외부특성·전압변동률 | 3 | 과복권 전압 상승·변동률 음수, 무부하 특성곡선 축 |
| 용접용 전원 특성 | 1 | 수하(정전류) 특성 고르기 |
가장 자주 묻는 것은 권선법 병렬회로수 계산입니다.
전기자 권선법은 병렬회로수 a로 갈린다 — 단중 중권은 a = p(극수), 단중 파권은 극수와 관계없이 a = 2다. 병렬회로가 적은 파권은 고전압 소전류용, 많은 중권은 저전압 대전류용에 맞는다. 권선을 바꾸면 수치가 정해진 배율로 움직인다 — 8극(중권 a=8)을 파권(a=2)으로 고치면 회로수가 1/4로 줄어 유도기전력은 4배, 전기자전류는 1/4이 되어 100V·200A가 400V·50A가 된다. 이 성질로 정류자 편간 전압 e = aV/k(6극·220V·132편이면 6 × 220 ÷ 132 = 10V)과 병렬회로 하나에 흐르는 전류(전기자전류 ÷ a, 4극 중권 20A → 5A)를 잰다.
병렬운전의 조건은 극성·단자전압·외부특성(수하특성)이 같을 것인데, 유도기전력이 같다는 항목은 조건이 아니다. 균압모선은 직권 계자를 가진 직권·복권발전기의 병렬운전에만 필요하다 — 계자전류 변동으로 부하가 한쪽으로 쏠리는 부하이전을 막기 위해 전기자와 직권계자 접속점을 잇는 도선이다. 분권발전기는 계자전류가 단자전압에만 달려 있어 병렬운전이 안정적이라 균압모선이 필요 없다.
종류별 외부특성도 축이다. 과복권발전기는 직권계자의 자화작용이 강해 부하가 늘수록 단자전압이 오히려 올라가고, 그래서 무부하 전압이 정격 전압보다 낮아 전압변동률 ε = (V₀−Vₙ)/Vₙ이 음수가 된다. 분권발전기는 부하 증가에 전압이 내려가고, 차동복권은 내림이 더 심하며, 평복권은 거의 일정하다. 무부하 특성곡선은 계자전류(가로)와 단자전압(세로)의 관계로, 철심 자기포화로 점점 휘는 포화곡선이다.
용도별 요구 특성도 묻는다 — 아크 용접용 직류전원은 부하전류가 늘면 단자전압이 내려가는 수하(정전류) 특성이 가장 중요하다. 단락에 가까운 아크 상태에서 전류가 지나치게 커지지 않게 하려는 것이다(차동복권 발전기가 이에 해당).
대표 풀이 1 — 중권→파권(8극): a가 8에서 2로 → 전압 ×4 = 400V · 전류 ×1/4 = 50A. 대표 풀이 2 — 정류자 편간 전압: e = aV/k = 6 × 220 ÷ 132 = 10V(중권 6극). ③ 병렬회로 전류 = 전기자전류 ÷ a = 20 ÷ 4 = 5A(4극 중권).
직류발전기의 병렬운전에서 균압모선을 필요로 하지 않는 것은?
정답 ① · 직류발전기 병렬운전 시 균압모선(균압선)은 부하 분담이 불안정한 발전기, 즉 직권 계자를 가진 발전기(직권발전기, 복권발전기)에 필요합니다. 분권발전기는 계자전류가 단자전압에만 의존하고 부하전류와 무관하므로 병렬운전이 안정적이라 균압모선이 필요 없습니다.
균압모선은 직권 계열(직권·복권) 병렬운전에 필요하고, 분권발전기는 불필요하다.
8극, 유도기전력 100V, 전기자전류 200A인 직류발전기의 전기자권선을 중권에서 파권으로 변경했을 경우의 유도기전력과 전기자전류는?
정답 ③ · 직류기 전기자권선에서 유도기전력과 전기자전류는 병렬회로수(a)와 반비례/비례 관계를 가집니다. 중권(lap winding)은 병렬회로수 , 파권(wave winding)은 로 고정됩니다.
E는 1/a에, I_a는 a에 비례하므로 중권(a=8)→파권(a=2)이면 400V, 50A가 된다.
직류발전기의 무부하 특성곡선은 다음 중 어느 관계를 표시한 것인가?
정답 ② · 직류발전기의 무부하 특성곡선(무부하 포화곡선)은 정격속도로 무부하 운전하면서 계자전류를 변화시킬 때 유기되는 단자전압(=유기기전력)의 변화를 나타낸 곡선입니다. 가로축은 계자전류, 세로축은 단자전압이며, 철심의 자기포화 특성으로 인해 곡선이 점차 휘어지는 형태를 보입니다.
무부하 특성곡선은 무부하·정격속도에서 계자전류에 대한 단자전압(유기기전력)의 관계 곡선이다.
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