6. 동기발전기 전기자 반작용(R부하,L부하,C부하)

6. 동기발전기 전기자 반작용(R부하,L부하,C부하)

앞에서 동기발전기의 전기자 반작용이 어떻게 발생하게 되는지 공부해보았다.

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5. 동기발전기에서 전기자 반작용이 발생하는 과정

전기자 반작용은 전기자(코일)에서 발생한 전기자반작용자속이 주자속에 영향을 주어 유기기전력의 크기에 영향을 주는 것을 말한다.
전기자 반작용(armature reaction)이 발생하게 되면 전동기 속도 및 발전기 변압 변동률에 영향을 주게 된다.

그런데 이때 발생한 전기자 반작용 자속은 부하의 상태(역률)에 따라서 다르게 나타난다.
지상인 부하가 연결되어 있는 경우에는 주자속을 감소시키는 '감자'가 일어나고
진상인 부하가 연결되어 있는 경우에는 주자속을 증가시키는 '증자'가 일어나게 된다.

부하에 따라서 왜 다른 현상이 발생하게 되는지 알아보자.

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1. 저항(R)부하에서의 전기자 반작용
2. 인덕터(L)부하에서의 전기자 반작용
3. 커패시터(C)부하에서의 전기자 반작용

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1. 저항(R)부하에서의 전기자 반작용

저항부하에서는 '증자'와 '감자'가 함께 일어나는 교차자화(횡축반작용)가 일어난다.

왜 교차자화가 일어나는지 확인해보자.
아래의 '2극기 회전계자형 동기발전기'에 순저항부하만이 연결되어있다고 생각해보자.

동기발전기에 순저항부하가 연결된 경우

터빈이 시계방향으로 회전하던 중 계자(자석)의 N극이 아래방향을 가리키고 있는 순간을 나타내고 있다.



먼저 전기자 코일 (A,A')(B,B')(C,C')에서 전류의 흐름을 알아야 한다.

전기자 코일(A,A') 코일을 그려보면 아래와 같다.

동기발전기 A,A' 코일

자석이 코일과 평행하게 있기 때문에 계자자속(주자속)이 코일에 영향을 주지 못한다.


그런데 자석이 조금만 시계방향으로 움직이게 되면 코일을 통과하는 수직성분의 계자자속(주자속)이 생기게 된다.

자석이 회전하면서 코일과 수직한 성분이 생김

그러면 코일의 반작용에 의해 억제하는 방향으로 자속을 생성한다.

렌츠의 법칙에 의해 계자자속을 억제하는 방향으로 자속이 생성되고 코일에 전류가 흐름

암페어 오른나사 법칙에 의해 자기장이 오른쪽을 향한다면 코일을 통해 흐르는 전류는 위와 같다.


(B,B'), (C,C') 코일에도 같은 방식을 적용해보면 코일에 흐르는 전류 방향을 알 수 있다.
그러면 아래와 같은 전류 흐름이다.

전류가 나오는 방향을 ●, 전류가 들어가는 방향을 X


그러면 전기자(코일)의 전류의 흐름에 따라 발생하는 전기자반작용자속은 암페어 오른나사 법칙에 따라 회전한다.

계자자속(주자속)과 전기자반작용자속

코일(A)의 왼편은 계자자속과 전기자반작용자속이 더해지면서 커지는 '증자'가 발생하고
코일(A)의 오른편은 계자자속과 전기자반작용자속이 빼지면서 작아지는 '감자'가 발생한다.

순저항부하에서는 증자와 감자가 함께 있는 교차자화(횡축반작용) 발생

순저항부하에서는 이렇게 '증자'와 '감자'가 동시에 발생하는 '교차자화'(횡축반작용)이 일어난다.

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2. 인덕터(L)부하에서의 전기자 반작용

순인덕터부하에서는 전류가 전압보다 90도 뒤에 흐르는 '지상전류'가 흐르기 때문에
직축 반작용인 '감자 자화'가 일어난다.

순인덕터 부하에서는 지상전류가 흐름

순인덕터부하인 상황에서 위상을 따져보자.

① 주자속에 의해 유기기전력이 만들어질 때 패러데이/렌쯔 법칙을 따른다.
미분하면 90도 앞서게 되는데 -가 붙어있으므로 90도 뒤지게 된다.

동기발전기 순인덕터 부하에서 위상 차이(1)

② 유기기전력에 의해 부하전류가 만들어지는데 순인덕터 부하에서는 지상전류가 흐르므로
유기기전력에 비해 부하전류가 90도 뒤지게 된다.

동기발전기 순인덕터 부하에서 위상 차이(2)

③ 부하전류가 전기자반작용자속을 만들게 되고 둘의 위상은 같다.

동기발전기 순인덕터부하에서 위상 차이(3)

위상을 종합해보면
주자속을 0도로 기준 잡으면
유기기전력은 +90º
부하전류는 +180º
전기자반작용자속은 +180º


주자속과 전기자반작용자속의 위상이 180º 차이를 가지고 있으므로 주자속을 감소시키는 '감자'가 일어난다.

동기발전기 순인덕터부하에서는 주자속과 전기자반작용자속이 180도 위상차이로 '감자'가 일어난다.

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3. 커패시터(C)부하에서의 전기자 반작용

순커패시터부하에서는 전류가 전압보다 90도 앞서 흐르는 '진상전류'가 흐르기 때문에
직축 반작용인 '증자 자화'가 일어난다

순커패시터부하에서는 진상전류가 흐른다.

순커패시터 부하인 상황에서도 위상을 따져보자.

① 주자속에 의해 유기기전력이 만들어질 때 패러데이/렌쯔 법칙을 따른다.
미분하면 90도 앞서게 되는데 -가 붙어있으므로 90도 뒤지게 된다.

동기발전기 순커패시터부하에서 위상 차이(1)

② 유기기전력에 의해 부하전류가 만들어지는데 순커패시터 부하에서는 진상전류가 흐르므로
유기기전력에 비해 부하전류가 90도 앞서게 된다.

동기발전기 순커패시터부하에서의 위상 차이(2)

③ 부하전류가 전기자반작용자속을 만들게 되고 둘의 위상은 같다.

동기발전기 순커패시터부하에서의 위상 차이(3)

위상을 종합해보면
주자속을 0도로 기준 잡으면
유기기전력은 +90º
부하전류는 0º
전기자반작용자속은 0º


주자속과 전기자반작용자속이 같은 위상을 가지고 있으므로 주자속을 증가시키는 '증자'가 일어난다.

동기발전기 순커패시터 부하에서 주자속과 전기자반작용자속이 같은 위상이여서 '증자'가 일어난다.