전기 기기
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| 정리 | |
차례 |
[+/-] 장 전기 기기의 원리
[+/-] 개요
전기기기를 강의하는 첫 시간에 학생들에게 우리 생활에서 볼 수 있는 전기기기를 열거하여 보라고 합니다. 학생들의 대답은 거의 예외 없이 TV 로부터 시작하여 라디오, 전기 시계, 냉장고 등으로 연결됩니다. 이것이 맞는 대답일까요? 물론 전기를 이용한 기기 (혹은 기계라는 말도 동일하게 사용됩니다) 라는 상식적인 생각으로 볼 때는 아무런 문제가 없습니다. 그런 논리에서보면 전기를 사용하는 기계는 모두 전기기기라는 표현이 가능하다는 말일까요?
이 부분에서 일반적인 대학교 전기공학 전공의 학생들이 두 학기동안 배우는 “전기기기”의 정의와 범위를 명확히 할 필요가 있습니다. 이 책에서 다룰 전기기기의 내용은 전기적 에너지를 기계적 에너지로, 혹은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치를 의미합니다. 또한 전기적 에너지를 전기적 에너지로 바꾸는 기능의 에너지 변환기도 포함하여 거론합니다. 다시 말하면 발전소에서 수력 혹은 화력의 방법으로 얻은 기계적인 힘으로 전기를 발생하는 발전기, 전기를 사용하여 기계적인 힘을 얻는 전동기, 그리고 전기적 성질을 변환하기 위하여 송전용 혹은 가정용으로 사용하는 변압기의 세 가지 종류의 기기를 말합니다.
전동기, 발전기, 변압기가 전기기기라는 과목의 세 가지 주제라고 할 수 있습니다. 전동기와 발전기가 기계적 운동을 포함하므로 운동기라고 하며, 이에 대하여 변압기는 움직이는 부분이 없기 때문에 정지기라고 분류하기도 합니다. 운동기는 또한 기기의 입력 또는 출력에서 사용되는 전기에너지 종류로 교류기 혹은 직류기로 분류하기도 합니다. 즉 직류를 이용하는 기기는 직류기, 교류를 이용하는 기기는 교류기라고 부릅니다. 기기의 입력과 출력의 에너지 형태를 정확히 이해하는 것이 중요합니다. 이는 기기의 동작원리를 이해하는 데 필수적입니다.
그림 1.1 은 우리 생활 속에서 자주 접하는 전기기기에 대하여 설명하고 있습니다. 수력, 화력, 원자력 등으로 발생한 동력은 원동기를 통하여 발전기의 축을 돌려주게 됩니다. 교류 발전기는 삼상을 발전합니다. 이 삼상교류 전원은 송전선을 통하여 송전되기 좋은 전압으로 승압됩니다. 이는 수요자에게 전달하기 위해 변압기를 한번 이상 거치게 됩니다.
전기로 동력을 발생하기 위해서는 전동기를 사용합니다. 수요자가 전기를 사용하는 방식은 삼상 교류를 직접 사용하거나, 단상 교류를 사용하거나, 직류로 변환하여 사용하게 됩니다. 이와 같이 발전기, 변압기, 전동기는 전기기기의 세 가지 기본이라고 할 수 있습니다. 전동기의 사용은 산업 선진화의 잣대가 되기도 합니다. 선진국형 고급 자동차에는 자동차 한 대 당 사용되는 직류 소형 전동기가 100 여개에 육박하는 수준에 이르고 있습니다. 파워 윈도우, 냉각 시스템, 좌석의 전동장치 등 일상생활 속에서 전기기기의 사용 범위는 실로 방대합니다.
그림 1.1 생활 속에 사용되는 전기기기의 종류
그렇다면 전기기기를 배우는 데 필요한 기본 지식은 무엇일까요? 강의를 끝내면서 이러한 질문을 받은 적이 있습니다. 결국 전기기기의 구조는 모두 전기적인 소자로 구성이 되어있으니 저항, 인덕턴스, 커패시턴스 등의 세 가지 전기 소자로 표시될 수 있는 것이지 무엇이 그리 복잡할 이유가 있느냐는 것입니다.
사실 어느 정도는 복잡합니다. 이상의 세 가지 전기 소자는 수동소자로 불리는 요소입니다. 전기기기에는 직접적으로 전압을 발생시키는 부분이 있습니다. 이러한 부분이 전압 혹은 전류의 소스가 됩니다. 또한 기계적인 에너지와 전기적인 에너지의 변환관계를 해석하고, 전기 자기적인 문제점도 고찰을 하여야 하고, 물리적인 힘과 운동의 관계도 고려해야 합니다.
이 책에서 다룰 전기기기의 종류는 직류기, 변압기, 동기기, 유도기, 단상전동기와 특수기기의 5가지로 나누었습니다. 각각의 기기를 다룰 때 다음과 같은 문제점에 관해서 다루게 됩니다.
- 어떠한 원리로 동작하는가?
- 기기의 구조를 등가적인 전기회로로 어떻게 표현할 수 있는가?
- 기기의 파라미터값을 어떠한 실험 방식으로 얻는가?
- 기계적 전기적 특성곡선이 어떠한가?
- 운전은 어떻게 하는가?
- 효율 및 특성에 관계된 파라미터의 정의와 값을 어떻게 얻는가?
이와 같은 사항들을 이해하고 활용하기 위해서 알아야 할 기본 지식은 무엇일까요? 전기기기의 기본원리는 전류의 흐름이 자장을 발생하고 또한 자장의 변화가 전압을 유기하는 사실, 그리고 자장 속의 전류가 흐르는 도체는 힘을 받는다는 사실입니다. 물리 시간에 배웠던 간단한 플레밍의 왼손과 오른손 법칙의 응용 등 실제로 전기기기의 기본원리는 이미 오래 전에 밝혀진 전기의 기본적인 성질에 근거하고 있습니다. 이러한 기본 성질들을 살펴보도록 할까요?
[+/-] 전류와 자기의 관계
19 세기의 많은 과학자들은 놀라운 창의력과 실험정신으로 현대문명에 기여할 많은 기초과학적인 기반을 마련하였습니다. 전기와 자기와의 관계는 방대한 양의 응용 가능성을 내포하고 있는 발견이었습니다. 공간 중에 자계가 일정한 방향으로 설정되어있는 경우(영구자석 또는 전자석을 사용합니다) 그 공간에서 도체를 움직이면 전류가 발생한다는 사실을 발견합니다. 이것이 발전기의 원리가 되며 플레밍의 오른손 법칙으로 발생 전류의 방향을 결정할 수 있습니다. 이 법칙으로 자계내의 도체의 운동 방향이 정해지면 전류의 방향을 결정할 수 있습니다.
역시 공간상에 자계가 설정되어 있는 경우 이 자계 내에 존재하는 도체에 이번에는 전류를 흘리게 되면 도체가 움직이는 현상을 발견하게 됩니다. 이것이 플레밍의 왼손 법칙으로 자계와 도체에 흐르는 전류의 방향이 정해지면 힘이 발생하는 방향을 결정할 수 있습니다. 이렇게 발생한 기계적인 힘을 이용하여 개발한 것이 전동기입니다.
왼손법칙의 경우는 중지를 전류의 방향, 검지를 자기의 방향으로 하면 엄지의 방향으로 힘이 발생한다는 것을 오른손 법칙의 경우는 검지의 방향으로 자기의 방향이 설정된 상태에서 엄지방향으로 움직이는 도체에는 중지 방향의 전류가 발생한다는 것입니다. 물론 전류가 발생한다는 말은 회로가 구성되어 있는 경우이고 그렇지 않다면 기전력이 유기 됩니다. 무엇이 조건이고 무엇이 결과인지에 주의해야합니다. 그림 1.2 는 왼손법칙과 오른손 법칙 그리고 전기회로에서의 자계의 발생 방향을 설명합니다.
그림 1.2 왼손 법칙, 오른손법칙과 오른 나사의 법칙
그림 1.3 은 전동기의 원리가 되는 왼손의 법칙을 설명하는 프로그램의 실행화면입니다. 화면에 들어가는 방향으로 자계가 설정되어 있고, 철로 같이 평행한 도체가 나란히 있고 이 위에 분리된 직선 도체가 놓여 있습니다. 오른편에 건전지를 연결하면 폐회로에 전류가 흐르고 전류와 자계의 방향에 의하여 도체가 움직이게 됩니다. 그때 움직임의 방향은 왼손 법칙에 의해서 결정이 됩니다. 그림 1.4 는 발전기의 원리가 되는 오른손 법칙을 설명하는 프로그램의 실행화면입니다. 그림 1.3 의 조건과 같은 상황에서 이번에는 건전지의 자리에 전압계를 놓습니다. 이번에는 평행 도체 위의 도체를 강제로 움직이면 이에 따라서 전압계 전압이 유기 되는 것을 확인할 수 있습니다. 전압의 극성은 오른손 법칙에 의해서 결정이 됩니다. 그림 1.3 왼손 법칙의 원리를 설명하는 프로그램 그림 1.4 오른손 법칙의 원리를 설명하는 프로그램
이상의 관계에서 전류와 자기의 관계를 개략적으로 확인할 수 있습니다. 그러면 자계는 어떻게 설정할 수 있을까요? 방법은 두 가지가 있습니다. 하나는 영구자석을 사용하는 방법이고 다른 하나는 코일을 감아서 전류를 흘리고 이곳에서 자속을 발생시키는 방법입니다. 발생한 자속으로 어떻게 균일한 자장을 형성하는지 알아봅시다.
[+/-] 자기의 성질
[+/-] 자계의 분포
일반적으로 전동기나 발전기를 만들려면 일정한 크기를 갖는 평등 자계를 만들어야합니다. 이러한 평등 자계 안에서 도체를 움직이거나 혹은 도체에 전류를 흘려서 발전기 또는 전동기로 사용하게 되는 것입니다. 그러면 평등 자계는 어떠한 방법으로 만들 수 있을까요?
영구 자석과 전자석을 사용하여 자계를 발생할 수 있습니다. 그림 1.5 에서와 같이 공간상에 영구 자석을 놓고 이에서 발생하는 자계의 분포를 살펴보면 공간상에서 N 극에서 나와서 S 극으로 퍼져나가는 모양을 확인할 수 있습니다. 이러한 자계를 균일한 평등 자계장으로 만들기 위해서는 N 극과 S 극을 가까이 놓으면 비교적 균일한 자계를 형성할 수 있습니다.
평등 자계를 전자석으로 실현하는 경우가 있습니다. 전자석은 자성체를 코일로 감고 코일에 전류를 흘림으로서 자속을 발생하는 것입니다. 자성체가 없다면 전자석도 영구자석과 마찬가지로 양극을 떠나는 자계는 공간상에 퍼져나가는 모양으로 분포합니다. 자성체의 모양과 위치를 조절하여 실제적으로 자계의 분포를 원하는 방향으로 유도할 수 있습니다.
(1)투자율
투자율은 이러한 자성체의 성질을 나타냅니다. 이는 자속이 잘 투과할 수 있는 정도를 나타내는 비율로서 물체에 따라 투자율이 높은 자성체는 자속을 잘 흐르게 합니다. 즉 자계는 가까운 곳에 자성체가 있으면 그곳으로 분포하려고 합니다. 전자석 내부의 자성체는 높은 투자율을 갖고 있어서, 코일에 전류를 흐르게 하여 발생한 자계를 가능한 자성체 자신에 분포하게 하려고 합니다. 그림 1.5 에서와 같이 자성체의 모양을 만들어 자기회로를 구성하는 것이 가능합니다. 자성체의 모양을 보면 발생한 자계가 자성체를 따라 자연적으로 폐회로를 구성하게 됩니다. 중간에 위치한 짧은 공간(이를 흔히 공극이라고 합니다)에서 자속은 공극 건너편에 있는 자성체로 넘어가려고 하므로 이 공간에서는 균일한 평등 자계가 형성된다고 가정을 합니다.
그림 1.5 자계의 분포
그림 1.6 프린지 효과와 누설자속
(2) 프린지 효과와 누설자속
균일한 자계가 형성이 된다는 것은 이상적인 가정입니다. 그림 1.6 에서와 같이 자성체 단면의 외곽선을 따라서는 공간으로 퍼져나가는 자계가 균일하지 않게 분포하는 것이 사실입니다. 이러한 효과를 프린지 현상 (주변 효과) 라고 하는데 이것이 실제적인 현상과 이론적인 가정의 차이를 나타내는 부분입니다. 다른 한가지는 누설자속입니다. 자속이 샌다는 말로서 코일에 전류가 흘러 자속이 발생할 때 모든 자속이 자성체내에 존재하는 것이 아니고 그림 1.6 에서와 같이 코일의 외부로 새어나가는 현상이 일부 발생합니다. 이 현상은 회로에서 실제적인 인덕터를 하나 더 갖고 있는 것으로 해석을 하게되며 앞으로 전기기기의 등가회로 계산시 고려할 중요한 요소중의 하나입니다.
[+/-] 기자력과 자속밀도
전자석의 경우 자속을 발생시키기 위한 코일의 능력을 기자력 (Magneto Motive Force 혹은 MMF) 이라고 하며 식 (1.1) 로 표시합니다.
(1.1)
자기저항은 자기회로의 길이가 길면 커집니다. 또 단면적이 커지면 자기저항은 작아집니다. 이것은 전기저항의 성질과 유사합니다. 또 같은 기자력인 경우에도 철심으로 사용하는 대하여 연구해 볼까요?
[+/-] 자기회로의 구성
자속을 발생하여 이를 자유롭게 사용하기 위해서 자기회로를 구성합니다. 전류를 공급하여 기자력을 얻게되면 자성체로 만든 자기회로에 자속이 발생하여 분포하게 됩니다. 자기회로를 구성하는 것은 크게 두 가지 방법이 사용됩니다. 하나는 병렬 회로를 사용하여 자속을 분기시키는 것이고, 다른 하나는 자기회로를 짧은 공간에서 끊어서 자속이 잠시 공기를 통로로 하여 흐르도록 하는 것입니다. 공극이라는 용어로 표현되는 이 짧은 공간은 평등 자계를 만드는 방법으로 이용됩니다.
앞의 두 가지 방법을 조합하여 원하는 크기로 자속을 만들 수 있습니다. 먼저 자기의 병렬회로로 자기회로를 구성하는 법과 공극을 넣었을 때의 해석을 차례로 살펴보고 두 가지를 혼합한 경우에 대해서도 살펴보도록 하겠습니다.
가장 기본적인 자기회로의 모양은 그림 1.8 의 (a) 와 같습니다. 자성체는 간단하게 폐회로를 구성합니다. 전체적인 자기경로의 값이 커지면 발생 자속의 수도 감소하게 됩니다. 다른 한편에 코일을 감는다면 간단한 변압기가됩니다. 변압기 중에는 (b) 의 모양도 있습니다. 기자력에의해서 생성된 자속은 자기저항의 값에 따라서 양분되어 흘러갑니다.
공극을 포함한 기본적인 자기회로는 그림 1.8 의 (c) 와 같습니다. 공기의 투자율은 자성체와 다르고 이를 해석할 때는 자성체의 자기저항과, 공극의 자기저항이 직렬로 연결되어 있다고 볼 수 있습니다. 공극과 자기 병렬회로를 포함한 다소 복잡한 형태의 모양은 (d) 입니다. 공극을 이용한 자기회로의 구성은 발전기와 전동기에서 전기자 도체가 움직이는 공간을 제공하는 중요한 역할을 합니다.
그림 1.8 자기회로의 종류
예제 1.1) 그림과 같이 자성체에 100 회전된 코일이 감겨있고 0.5 ｍ㏝ 의 자속을 발생하려면 얼마의 전류를 흘려야 할까요? 단 단면적은 4㎠이고 그림에서와 같이 높이와 길이가 5㎝입니다. 투자율은 이라고 가정합니다. 먼저 0.5 ｍ㏝ 의 자속을 발생하려면 자속 밀도는 0.5/4 의 값으로 1.25 Tesla 가 되어야 합니다. 이에 해당하는 자계의 세기는 투자율과 계산하여 1250 At/m 가 됩니다. 자속은 자성체를 따라서 균일하게 분포한다고 가정할 수 있으므로 철심의 중심을 따라서 폐회로를 가정하고 기자력 값을 구하면 12500.2=250 At입니다. 이 값을 권회수인 100으로 나누면 전류는 2.5 A 가 됩니다.
예제 1.2) 그림에서 전류와 자계의 관계를 r 과 N을 사용하여 나타내십시오. 단, 자계 H 는 균일한 밀도로, 누설 자속없이 단면에 고르게 분포한다고 가정합니다.
의 식을 이용합니다. 원주를 따라서 균일하게 자계가 분포한다고 가정하며 로 해석할 수 있습니다. 전류 I 에 대하여 식을 정리하면 의 식으로 전류와 자계의 관계를 나타낼 수 있습니다.
