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[전기공학] 전기기기(3) – 직류발전기, 타여자 발전기의 운전 특성
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타 여자 발전기
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[직류발전기] 타여자 직류발전기의 특성
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타여자발전기 및 분권발전기 외부특성 (부하전류 증가시 단자전압이 떨어지는 이유) – 기술랩
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[전기공학] 전기기기(3) – 직류발전기, 타여자 발전기의 운전 특성
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이전글 – [전기공학] 전기기기(2) – 전기자 반작용의 발생 원인과 방지대책
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앞선 글에서는 직류기에서 발생할 수 있는 전기자 반작용 현상의 원인과 대응방안에 대해서 살펴보았다. 이번에는 직류발전기 중 타여자 발전기가 어떤 것인지, 운전 특성이 어떠한지 등을 알아보자.
1. 타여자 발전기(Separately Excited Generator)
타여자 발전기는 계자와 전기자가 전기적으로 분리되어 있는 직류발전기다다. 계자전류(I_f)를 다른 직류전원에서 얻어서 사용한다. 그래서 영문으로도 Separately Excited라고 부르는 것이다.
타여자 발전기 단선도
타여자 발전기의 단선도를 보면 계자(F)와 전기자(A)가 분리되어 있다. 따라서 부하가 변동되더라도(전기자 전류가 변화하더라도) 계자전류는 일정하게 유지되어 자기력선속과 유도기전력이 일정하게 유지된다.
옴의 법칙
옴의 법칙으로 위 단선도를 살펴보자. 전기자에 유도되는 기전력 E는 출력전압 V에 전기자 저항에 인가되는 저항의 합과 같다. 위 식의 의미가 그런 의미다.
타여자 발전기에 연결된 부하가 없는 무부하 조건(R=0)에서 관계식은 아래와 같다.
무부하 조건
부하가 있는 경우에는 아래와 같다.
부하 조건
2. 타여자 발전기 운전 특성
타여자 발전기의 운전 특성에 대해 알아보자. 발전기에 부하가 없는 무부하 상태에서 정격 속도로 운전할 때, 계자전류와 유도기전력은 비례관계를 보인다.
무부하 특성 곡선
계자전류(I_f)가 0인 상태에서도 전자석(계자)에는 잔류자기가 남아있다. 자기 히스테리시스 현상 때문이다. 그래서 계자전류가 0이어도 발전기가 정격 속도로 운전하고 있다면 일부 기전력이 유도된다. 여기서 계자전류를 상승시키면 이에 비례해서 발전전압도 상승한다.
하지만 계자전류가 계속 상승하더라도 일정값 이상부터는 자기포화 현상으로 유기기전력이 더 높아지지 않는다. 마찬가지로 자기 히스테리시스 현상 때문이다. 이런 운전 특성을 이용하여 타여자 발전기는 계자전류를 조절함으로서 출력전압을 쉽게 조정할 수 있다.
외부 특성 곡선
이번에는 부하가 걸린 상태에서의 외부 특성 곡선을 살펴보자. 부하전류 I가 흐르면 전기자 반작용에 의한 전압강하 ‘e_a’와 브러시 저항에 의한 전압강하 ‘e_b’가 생긴다. 그래서 부하전류가 커질수록 단자전압 V는 감소하게 된다.
3. 타여자 발전기의 용도
타여자 발전기는 모터의 속도 제어용 전원, 속도계용 발전기, 대형교류 발전기의 주여자기, 저전압 대전류용 실험실용 전원 등으로 활용된다.
공통점이라면 대형 설비의 보조전원으로서 출력조정 기능이 필요한 곳에 주로 사용된다는 것이다. 계자전류를 조절하는 것만으로 단자전압의 크기를 조절할 수 있기 때문에 속도 제어용으로도 사용이 가능하고, 실험실용 전원으로도 활용된다.
다음글 – [전기공학] 전기기기(4) – 직류발전기, 분권 발전기의 운전 특성
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타여자발전기 및 분권발전기 외부특성 (부하전류 증가시 단자전압이 떨어지는 이유)
첨부 3
타여자발전기 및 분권발전기 외부특성(부하전류 증가시 단자전압이 떨어지는 이유)
타여자 발전기 및 분권발전기 외부 특성
1) 타여자 발전기 외부특성
발전기의 회전 속도를 정격 속도로 유지 하고 계자 전류 Iƒ 를 일정하게 유지한 상태 에서 부하 전류 I [A] 를 증가 시켰을 때, 단자 전압 V [V] 와의 관계를 외부특성이라고 한다.
단자 전압 V는 아래 그림과 같이 부하 전류 I가 증가함에 따라 감소하게 된다. 이것은 ① 전기자 권선의 저항 Ra에 의한 전압 강하인 IRa와 ② 전기자 반작용에 의한 전압강하 ea ③브러시에 의한 전압 강하 e∫ 등이 있기 때문이다. 전압 강하를 고려하면 단자 전압 V는 V=E-(IRa+ea+e∫)로 나타낼 수 있다.
2) 분권발전기 외부특성
분권 발전기에 부하를 연결하였을 때에 부하 전류를 I[A], 계자 전류를 Iƒ [A], 전기자 전류를 Ia [A], 유도 기전력을 E[V], 단자 전압을 V[V]라고 할 때, 이들의 관계는 다음과 같다.
Ia =I + Iƒ [A]
E = V + IaRa [V]
V = E – IaRa [V]
부하를 연결한 후에 부하를 증가시키면 단자 전압은 위의 그림처럼 곡선 KN 구간과 같이 점차 감소하게 된다. 부하의 크기를 점점 증가시켜 과부하가 되면 전압 강하는 급히 증가하게 되고, 부하전류는 오히려 감소하여 점 S에 도달한다.
3) 결론적으로
발전기의 회전속도를 정격 속도로 유지 하고 계자전류 Iƒ 를 일정하게 유지한 상태 에서 부하 전류 I [A] 를 증가 시켰을 때, 단자 전압 V [V] 은 어떻게 변화하는가 ?
직권발전기의 경우에는 부하를 늘리면 전압강하가 일부 일어나기도 하지만, 전체적으로 단자전압이 증가한다 . 이것은 전기자와 계자가 직렬로 연결되어 있기 때문이다.
타여자발전기, 분권발전기에서 유도 기전력을 E[V]과 단자 전압 V [V]이 일정하게 유지되고 있을 때,
부하를 늘리면 부하전류가 증가하고 단자전압은 떨어진다 .
이러한 이유는 타여자발전기 또는 분권발전기는 전기자와 계자가 별도 분리(타여자)되어 있거나 병렬로 일정하게 계자전류를 공급해 주고 있어 부하전류가 계자에 영향을 미치지 않는다.(즉 계자의 저항이 변하지 않는 이상 계속 처음 공급해준 전압과 전류가 처음처럼 그대로 걸리기 때문이다) . 이러한 상태에서 전기자권선저항에 의한 전압강하, 전기자반작용에 의한 전압강하, 전기자, 브러쉬에 의한 전압강하로 단자전압이 떨어지는 특성을 가진다.
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