13. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(3)

13. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(3)

앞에서 자화특성곡선을 그려보았다.
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12. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(2)

이번에는 자화특성곡선에서 철심이 포화된 이후 어떤 문제가 발생하는지 확인해보자.

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1. 자성체와 자기쌍극자모멘트
2. 자화특성곡선 그려보기
3. 철심이 포화되면 어떤 일이 일어날까?

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3. 철심이 포화되면 어떤 일이 일어날까?

철심에 아주 강한 자석(H)을 가져다 대면 자기쌍극자의 합(B)이 최대가 되면서 철심의 포화가 일어났다. 철심의 포화가 일어나면 어떤 이상 현상이 발생할까?

강한 자석으로 자기쌍극자의 합이 최대가 되고 철심이 포화

앞에서 봤던 H(자계의 크기), B(자성체의 내부자속밀도) 그래프에서 기울기는 투자율(μ)이다. (B = μH이므로 기울기인 B/H = μ 이다.)

B,H 자화특성곡선에서 기울기는 투자율(u)

이 그래프를 I(전류), φ(자속) 그래프로 바꿔서 표현하면 그래프에서 기울기는 인덕턴스(L)이 된다. (L = φ/I)

I,φ 자화특성곡선에서 기울기는 인덕턴스(L)

(자계(H)의 단위는 [A/m]이므로 단위길이당 전류(I)이다. 자속밀도(B)는 단위면적(S) 당 자속(φ)이다. 그러므로 H,B 그래프를 I,φ 그래프로 변환해도 같은 모양을 가진다. )

아래는 I,φ 자화특성곡선을 나타냈다.

철심이 포화된 시점에 기울기인 인덕턴스(L)가 0에 가까워진다.

철심이 포화된 시점에 기울기는 0에 가까워진다. 인덕턴스(L)가 0에 가까워진다.
그러면 어떤 일이 발생할까?




아래의 회로를 봐보자. 전압원이 철심에 감아놓은 코일에 전류를 공급하고 있다.

철심에 감아놓은 코일에 전압원이 전류를 공급

그런데 이때 철심이 포화되어 L이 '0'에 가까워져 버린다.
철심에 감아놓은 코일의 리액턴스(X) = wL과 같다. w는 각속도로 상수이므로, L이 '0'에 가까워져 버리면
리액턴스(X)가 0이 된다. (코일의 저항 = 리액턴스)

리액턴스(X)가 0이 되면서 옴의 법칙(V = I x Z)의 Z가 0에 가까워진다.
한 가지 알아야 하는 건 우리는 기본적으로 전압원 시스템을 사용한다. 전압이 일정한 시스템이라는 거다.
그러면 V/Z = I 에서 V는 일정하고 Z는 0에 가까워지므로 I(전류)가 무한대에 가까워져 버린다.

전압원(V)이 일정한 상태에서 임피던스(Z)가 0이 되면 옴의 법칙에 따라 전류(I)는 무한대가 된다.

거의 고장전류(단락전류)와 구분되지 않을 수준의 전류가 흐르게 된다.

전압원시스템이라고 전압이 완전 일정하지는 않다. 5~10% 바뀔 수 있는데 그에 따라 전류도 5~10% 변화할 수는 있다. 하지만 사고로 인한 고장전류(단락전류)가 흐르지 않았음에도 전류가 몇십~몇 백배 증가했다면 변압기, 모터, 발전기와 같이 철심을 사용하는 전력기기의 철심이 포화돼서 위와 같이 큰 전류가 흐른 걸 의심해 볼 수 있다.
한 가지 예로 변압기를 투입할 때 '여자돌입전류'와 같이 굉장히 큰 전류가 흐르는데 이게 자성체가 포화돼서 발생하는 현상이다.