개념 한 쪽
동기발전기·동기전동기 문제는 동기속도 계산, 전기자 권선법, 병렬운전 조건, 제동권선의 역할이 세트로 출제된다. 조건 나열형과 V곡선 개념이 특히 자주 나온다.
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출제기준 단원 「동기발전기의 분류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 구조 비교 | 1 | 제동권선과 같은 구조의 회전자 고르기 |
| 수치 계산 | 1 | 출력·역률·효율로 원동기 효율 구하기 |
| 방법 선택 | 1 | 동기전동기 난조 방지 유효 대책 고르기 |
동기속도는 Ns = 120f/p로 구한다. 60 Hz·12극이면 600 rpm이고, 회전자 주변속도는 v = πDN/60에 외경 D를 넣어 v = 3.14×2×600/60 = 62.8 m/s다(rpm을 초당 회전수로 바꾸는 ÷60를 빠뜨리면 안 된다). 전기자 권선법에서 분포권은 권선을 여러 슬롯에 나누어 감아 각 코일 기전력의 위상이 조금씩 어긋나 합성될 때 고조파가 상쇄되므로 기전력 파형이 정현파에 가까워지는 것이 장점이다. 대신 분포계수가 1보다 작아 합성 기전력의 크기는 집중권보다 줄어든다(분포권=파형 개선, 집중권=크기).
동기발전기 병렬운전 조건은 기전력의 크기·위상·주파수·파형(상회전 방향 포함)의 일치 네 가지이고, 극성은 조건이 아니다. 병렬운전 중 기전력의 크기만 다르면 기전력과 90° 위상차를 이루는 무효횡류가 흐르고(큰 쪽 지상, 작은 쪽 진상 무효전력 부담), 위상이 어긋나 있으면 유효횡류(동기화전류)가 흐른다(크기 차=무효, 위상 차=유효).
동기전동기의 제동권선(감쇠권선)은 자극면의 도체 막대와 단락환 구조로 유도전동기의 농형 회전자와 같다. 기동 시 유도전동기와 같은 원리로 기동 토크를 내고, 운전 중 부하 변동으로 생기는 난조를 유도전류의 제동 토크로 급속히 감쇠시킨다(난조 방지의 최유효 대책). 자기동 중에는 계자권선이 회전자기장을 지나며 고전압이 유도되어 절연파괴 위험이 있으므로 저항을 넣어 단락해 보호한다. 출력·속도가 일정할 때 여자를 증가시키면 과여자로 진상 역률(전기자 전류가 단자전압보다 앞선다), 약하게 하면 부족여자로 지상 전류가 흐르고 V곡선 최저점에서 벗어나 전기자 전류는 증가한다. 효율 연쇄 계산으로 450 kVA·역률 0.85·효율 0.9 동기발전기의 원동기 출력은 450×0.85÷0.9 = 425 kW이고, 원동기 입력 500 kW면 효율 0.85다(kVA×역률=kW, 출력÷효율=입력).
학습목표: 동기발전기의 정의와 냉각 방식에 따른 구분을 익힌다.
동기발전기는 기계 동력을 전기 출력으로 변환하는 동기 교류발전기로서, 정속도로 운전하여 일정 주파수의 교류 전력을 발생한다.
수소 냉각식은 동기발전기의 외함을 기밀 구조로 하여, 내부에 수소를 채워서 기체 전체를 수소가스 속에 있도록 함으로써 냉각 효과를 증가시킨 동기발전기이다.
NCS 학습모듈 1901050108 동기발전기 설계 · 1-1. 동기발전기에 대한 구분
동기속도 문제는 「120f/p 먼저, πDN/60에 대입」 2단계다. 권선법은 「분포권=파형, 집중권=크기」, 병렬운전은 「크기·위상·주파수·파형 4조건, 극성은 제외」, 횡류는 「크기 차=무효, 위상 차=유효」로 각각 두 글자 대응으로 즉답한다. 동기전동기는 「계자 단락=유도 고전압 방지, 기동 토크·난조 방지=제동권선」으로 주체를 가린다.
동기전동기의 제동권선은 다음 어느 것과 같은가?
정답 ② · 동기전동기의 제동권선은 회전자 표면(자극면)에 설치된 도체 막대와 단락환으로 구성되며, 구조와 동작 원리가 유도전동기의 농형(다람쥐 쳇바퀴형) 회전자와 사실상 동일합니다. 기동 시에는 유도전동기처럼 토크를 발생시켜 기동을 돕고, 운전 중에는 난조(속도 진동)를 억제하는 역할을 합니다.
제동권선은 자극면의 도체 막대+단락환 구조로 유도기의 농형 회전자와 동일하다.
450kVA, 역률 0.85, 효율 0.9인 동기 발전기의 운전용 원동기의 입력은 500kW이다. 이 원동기의 효율은?
정답 ③ · 발전기 출력 이고, 발전기 효율이 0.9이므로 발전기 입력(=원동기 출력) 입니다. 원동기 입력이 500kW이므로 원동기 효율 입니다.
원동기 효율 = (450kVA×0.85÷0.9)÷500kW = 425÷500 = 0.85.
다음 중 일반적인 동기 전동기 난조 방지에 가장 유효한 방법은?
정답 ③ · 난조(hunting)는 부하 급변 시 회전자가 동기속도를 중심으로 진동하는 현상으로, 가장 효과적인 방지법은 자극면(회전자 표면)에 제동권선을 설치하는 것입니다. 제동권선은 회전자와 회전자계 사이의 상대 속도 변화 시 유도전류가 흘러 제동토크를 발생시켜 진동을 억제합니다.
동기 전동기 난조 방지의 최유효 대책은 자극면에 제동권선(댐퍼 권선)을 설치하는 것이다.
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