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직류기✦

[acf field=ver]★[acf field=rate]![acf field=edited]

직류전동기의 원리와 특성 속도제어방식⁕

1.직류기의 구조

(1)계자(Field Magnet)

① 전기자를 통과하는 자속을 만드는 부분
② 철심성층 : 0.8~1.6[mm]
③ 공극 : 소형3[mm],대형6~8[mm]

(2)전기자(Armature)

계자에서 만든 자속을 끈어서 기전력을 유도하는 부분

(3)정류자(Commutator)

전기자 권선에서 유도된 교류를 직류로 바꿔주는 부분
① 브러시의 정류자면 접촉 압력
0.15~0.25[kg/cm²]
② 브러시를 중성축에서 이동시키는것 : 로커
③ 정류자 편수

\[k=\frac{u}{2}S\]

④ 정류자 편간 평균 전압

\[e_{sa}=\frac{PE}{k}[V]\]

(4)철심

① 히스테리시스손 방지책
회전기 1~2[%] 규소 함유
변압기 3~4[%] 규소 함유
② 와전류손 방지책
0.35~0.5[mm] 성층

2.전기자 권선

(1)직류기의 전기자 권선

고상권, 폐로권, 2층권 채택

(2)중권과 파권

비교항목중권(병렬권)파권(직렬권)
전기자의 병렬 회로수(a)p(mp)2(2m)
브러시수(p)p2
용도저전압, 대전류고전압,소전류
균압접속4극이상이면 균압접속을 하여야한다.균압접속은 필요없다

3.유기기전력

(1)발전기의 유기기전력

\[E=\frac{PZ}{60a}\phi N=k\phi N[V]\]
P:극수, Z:총도체수
N:회전수[rpm], a:병렬회로수

(2)주변 속도

\[v=\pi D\frac{N}{60}[m/sec]\]
D : 전기자 지름, N : 전기자 회전수

4.전기자 반작용

동기발전기의 전기자 반작용⁕

(1)전기자 반작용

전기자 전류에 의한 자속이 계자권선의 주자속에 영향을 주는 현상

(2)영향

① 전기적 중성축 이동
· 발전기 (회전방향)
· 전동기 (회전반대방향)
② 주자속 감소
· 발전기 (유기기전력감소)
· 전동기 (토크감소, 속도증가)
③ 정류자 편간의 불꽃섬락 발생
· 정류 불량의 원인

(3)감소 대책

① 보상권선 설치(가장효과적)
· 주자속 감소 방지
· 전기자전류와 반대 방향으로 설치
② 보극설치
· 공극 자속밀도 균일
· 중성축 이동 방지
· 정류 작용에 유리
③ 브러시를 새로운 중성점으로 이동
· 발전기 : 회전방향으로 이동
· 전동기 : 회전방향의 반대방향으로 이동

(4)기자력

① 감자기전력(주자속감소)

\[AT_d=\frac{ZI_a}{2aP}\cdot \frac{2\alpha}{\pi}[AT/극]\]

② 교차기자력(중성축이동)

\[AT_e=\frac{ZI_a}{2aP}\cdot\frac{\beta}{\pi}[AT/극]\]

5.정류

(1)정류

전기자 도체가 전류가 브러시를 통과할때마다 전류의 방향이 반전되어 교류를 직류로 변환한다.

(2)양호한 정류를 얻는 방법

평균리액턴스 전압(정류불량의 원인)

\[e_L=L\frac{2I_c}{T_c}\]

① 리액턴스를 적게 한다 : 단절권 채택
② 자체인덕턴스가 작을것
③ 정류주기를 길게 한다 : 회전 속도를 낮춘다.
④ 브러시전압강하>리액턴스전압
⑤ 저항정류 : 탄소브러시 사용
⑥ 전압 정류 : 보극 설치 평균 리액턴스 전압 상쇄

(3)정류곡선

직선정류, 정현파 정류, 과정류, 부족정류 등이 있으며
① 불꽃없는 정류는 직선정류(이상적) 또는 정현파정류(실제) 이다
② 과정류는 브러시앞편 불꽃이 발생하는 정류초기의 정류단계
③ 부족정류는 브러시뒤편 불꽃이 발생하는 정류초기의 말기단계

6.직류발전기의 특성

(1)특성곡선

(2)직류발전기의분류

타여자 발전기

외부의 독립된 직류 전원에 의해 계자권선을 여자 시키는 방법

① 유기기전력

\[E=p\phi n\times\frac{Z}{a}\]

② 단자전압

\[V=E-I_aR_a-E_a-E_b\]

③ 특징잔류자가가 없어도 발전가능운전중 전기자 회전방향 반대
→ +,-  극성이 반대로 발전

자여자 발전기

종류 : 직권,분권,복권 발전기

(3)직권발전기

\[I_a=I_f=I\]

: 전기자 권선과 계자 권선이 직렬로 접속

① 전기자전류=계자전류=부하전류

\[I_a=I_f=I\]

② 부하전류

\[I=\frac{P}{V}\]

③ 단자전압

\[V=E-I_aR_a-I_fR_f-e_a-e_b\]\[=E-IR_a-IR_f-e_a-e_b\]

④ 특징잔류자기가 없으면 발전 불가능운전중 전기자 회전방향을 반대 잔류자기를 소멸시켜 발전불가능
무부하시에는 자기여자로 전압을 확립할수 없다

(4)분권발전기

\[I_a=I_f+I\]

: 전기자 권선과 계자권선이 병렬로 접속

① 부하전류

\[I=\frac{P}{V}\]

② 계자전류

\[I_f=\frac{V}{R_f}\]

③ 전기자전류

\[I_a=I_f+I\]

④ 단자전압

\[V=E-I_aR_a-e_a-e_b\]\[=E-(I_f+I)R_a-e_a-e_b\]

⑤ 분권발전기의 특징잔류자기가 없으면 발전불가능운전중 계자회로를 갑자기 열면 계자권선에 고압을 유가하여 계자권선의 절연을 파괴할 우려가 있다
⑥ 운전중 서서히 단락
처음에는 큰 전류가 흐르나 종래에는 소전류가 흐른다.

(5)복권발전기

전기자권선과 직렬로 접속되어 있는 직권 계자 권선과 전가저 권선과 병렬로 접속되어있는 분권계자 권선이 설치되어있다.

  • 가동복권 발전기
    과복권, 평복권, 부족복권
  • 차동복권발전기
    • 분권계자권선의 기자력과 직권계자권선의 기자력이 서로 감해지는 방향으로 되어 있는 발전기로서 수하특성을 갖고있다.
    • 수하 특성 : 정전류 특성, 정출력 특성, 용접용 발전기
  • 발전기 구조 변환
    복권 발전기→직권 발전기 : 분권 계자 개방
    복권 발전기→분권 발전기 : 직권 계자 단락

7.전압변동율

\[\epsilon=\frac{V_0-V_n}{V_n}\times 100[\%]\]

전압변동률 ε>0 인 발전기 : 타여자, 분권, 차동복권 부족복권
전압변동률 ε=0 인 발전기 : 평복권발전기
전압변동률 ε<0 인 발전기 : 직권, 과복권 발전기

8.병렬운전

(1)병렬운전

① 전압및 극성이 같을것
② 용량이 같으면 각 발전기의 외부특성곡선이 같을것
③ 외부특성곡선이 어느 정도 수하특성일것
④ 용량이 다를경우 외부특성곡선이 거의 일치할것
⑤ 직권과 복권발전기의 병렬운전은 균압선을 연결하여 안전운전한다

(2)부하의 분담

① 저항이 같으면
유기전압이 큰 발전기가 부하를 많이 분담
② 유기전압이 같으면
부하는 전기자 회로 저항에 반비례해서 분배
③ 외부특성곡선이 같은 경우
부하분담은 용량에 비례

9.직류전동기의 이론

① 역기전력

\[E=\frac{PZ}{60a}\phi N=k\phi N[V],\ E=V-I_aR_a\]

② 단자전압

\[V=E+I_aR_a\]

③ 회전속도

\[N=k\frac{V-I_aR_a}{\phi}[rpm]\]

④ 토크(회전력)

\[T=\frac{Pz}{2a\pi}\phi I_a=k\phi I_a[N\cdot m]\]\[T=\frac{P}{\omega}=9.55\frac{P}{N}[N\cdot m]\]\[T=0.975\frac{P}{N}[kg\cdot m]\]

⑤ 출력

\[P=\omega T=I_aE[W]\]

10.직류전동기의 특성

(1)타여자 전동기

① 역기전력

\[E=V-I_aR_a[V],\ E=\frac{PZ}{60a}\phi N[V]\]

② 회전속도

\[N=k\frac{V-I_aR_a}{\phi}[rpm]\] \[I_f=0[A]\to \phi=0[Wb]\to N=∞ [rpm]\] \[위험속도, 계자회로 퓨즈 사용 금지\]

③ 출력

\[P=I_aE=\omega T=2\pi\frac{N}{60}T[W]\]

④ 토크

\[T=\frac{Pz}{2a\pi}\phi I_a=k\phi I_a[N\cdot m0\]

⑤ 전원극성반대 :회전 방향 반대

(2)직권전동기

①전기자전류

\[I_a=I_f=I\]

②역기전력

\[E=V-I_a(R_a+R_s)[V],\ E=\frac{PZ}{60a}\phi N[V]\]

③토크와 회전수

· 자기포화전

\[T=kI_a^2[N\cdot m],\ T∝I_a^2∝\frac{1}{N^2}\]

· 자기포화후

\[T=kI_a[N\cdot m],\ T∝I_a∝\frac{1}{N}\]

④ 운전중 무부하상태
· 위험속도, 벨트 사용 금지
⑤ 회전방향변경
· 전기자전류나 계자전류 중 1개만 변경
· 전원 극성 반대(회전방향불변)
⑥ 부하에 따라 속도변동 심함

(3)분권전동기

①전기자전류

\[I_a=I_f+I\]\[일반적으로 I_f무시 I_a\fallingdotseq I\]

②계자전류

\[I_f=\frac{V}{R_f}[A]\]

③역기전력

\[E=V-I_aR_a\]

④회전속도

\[N=k\frac{V-I_aR_a}{\phi}[rpm]\]\[R_f 일정\to I_f일정\to\phi일정(상수취급)\] \[정속도운전\]

⑤운전 중 계자 회로 단선
·위험 속도 도달, 벨트 사용 금지

\[I_f=0[A]\to\phi=0[Wb]\to N=∞[rpm](위험속도)\]

⑥토크 (회전력)

\[T=\frac{Pz}{2a\pi}\phi I_a=k\phi I_a[N\cdot m]\]

⑦토크와 회전수

\[T∝I_a∝\frac{1}{N}\]

⑧전기자전류나 계자전류 중 1개만 변경
·전원 극성 반대(회전 방향 불변)

11.직류전동기의 기동

(1)전기자권선 과 계자권선 에 저항을 넣어 전류를 조정한다
(2)기동토크가 충분히 클것

\[R_{fs}최소\to I_f최대\to \phi최대 \to T최대\]

(3)기동전류의 크기는 정격전류 2배 정도의 이내에서 제한한다

12.직류전동기의 속도제어

\[n=k\frac{V-I_aR_a}{\phi}[rpm]\]
구분제어법특성
계자제어법정출력
(가변속도)제어		세밀하고 안정된 속도 제어를 할 수 있다
속도제어 범위가 좁다
효율은 양호하나 정류가 불량하다
전압 제어법정토크 제어
위드레오나드 방식
일그너 방식		제어범위가 넓다
손실이 매우 적다
정역운전이 가능
설비비가 많이든다
직렬저항법효율이 나쁘다.

13.직류전동기의 속도변동률

\[\epsilon=\frac{무부하전압-정격속도}{정격속도}\times 100\]\[=\frac{N_0-N_n}{N_n}\times 100\]

속도변동률
직권>가동(복권)>분권>차동(복권)

14.직류전동기의 제동

(1)회생제동

전동기를 발전기로 적용하여 생긴 유기기전력을 전원으로 귀환시키는 제동법

(2)발전제동

전동기를 발전기로 적용하여 생긴 유기기전력으로 저항을 통하여 열로 소비하는 제동법

(3)역전제동(플러깅)

전기자의 접속이나 계자의 접속을 반대로 바꿔서 역토크를 발생시키는 제동법, 비상시 사용

15.직류기의 손실

(1)무부하손(고정손)

철손=히스테리시스손+와류손

① 히스테리시스손

\[P_h=\sigma_hfB_m^2[W],\ P_h∝f\]

② 와류손

\[P_e=\sigma_ef^2B_m^2t^2[W],\ P_e∝f^2\]

(2)무부하손(가변손)

동손, 표류부하손

(3)기계손(풍손)

16.직류기의 효율

(1)실측효율

\[\eta=\frac{출력}{입력}\times 100\]

(2)규약효율(전기 기준)

① 발전기변압기

\[\eta_G=\frac{출력}{출력+손실}\times 100\]

② 전동기

\[\eta_M=\frac{입력-손실}{입력}\times 100\]
1.직류기
2.변압기
3.동기기
4.유도전동기
5.정류기

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