16. 동기발전기 동기계 - 단락비가 작은 경우

16. 동기발전기 동기계 - 단락비가 작은 경우

앞에서 단락비가 큰 경우 철기계 동기발전기가 되는 것을 확인했다.
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15. 동기발전기 철기계 - 단락비가 큰 경우

이것과 반대로 단락비를 작게 발전기를 설계하면 동기계가 된다.

발전기의 단락비를 작게 하면 왜 동기계가 되는지 알아보고
동기계의 특징에 대해 알아보자.

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1. 단락비를 작게 설계하면 동기계가 된다.
2. 단락비가 작은 경우 발전기 특징
3. 철기계 동기계 비교표

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1. 단락비를 작게 설계하면 동기계가 된다.

단락비를 작게 하는 경우는 철기계가 되는 경우와 반대로 생각하면 된다.

단락비는 동기임피던스와 역수관계를 가지고 있다.

단락비는 동기임피던스와 역수관계

동기임피던스는 전기자반작용리액턴스와 누설리액턴스의 합으로 이루어져 있다.

동기임피던스는 대부분 전기자반작용리액턴스로 이루어져있다.

그런데 누설리액턴스의 양에 비해 전기자반작용리액턴스의 양이 훨씬 크므로
동기임피던스는 대부분 전기자반작용리액턴스로 이루어져 있다고 볼 수 있다.

그러므로 단락비를 작게 하면 동기임피던스가 큰 발전기이고
동기임피던스가 크다는 말은 전기자반작용리액턴스가 크다는 말과 같다.
전기자반작용리액턴스가 크면 전기자반작용자속이 크다.

자기회로이론에서
F = N · I = φ · R
기자력(F)는 턴수(N)와 전류(I)의 곱과 같고
자속(φ)과 저항(R)의 곱과 같다.

F = φ · R 에서 R은 상수이고
단락비가 작게되면 전기자반작용자속(φ)이 크므로 기전력(F)이 커진다.

전기자반작용자속이 증가하면 기자력이 커진다.

F = N · I 에서 I는 일정한 값이다.
이유는 정해진 값의 용량(P) 발전기를 설계하기 때문에 P = Vn · In 에서 전류(I)가 일정한 값이 된다.
그런데 여기서 전기자반작용자속(φ)이 커짐에 따라 기전력(F)의 커지므로
커지는 기전력(F)를 맞추기 위해서 철심에 감아놓은 권선의 턴수(N)을 늘려야 한다.

커진 기전력의 크기를 맞춰주기 위해서는 전기자권선의 턴수를 늘려야 한다.

권선의 턴수(N)을 늘리면 권선(동)의 양이 늘어난다.


그리고
정해진 값의 용량(P) 발전기를 설계하기 때문에 P = Vn · In 에서 전압(V) 역시 일정하게 둬야 한다.
그러면 유기기전력(E)가 일정해야 하는데
유기기전력(E)의 실효값은 4.44 · f · N · Qf 이다. (f = 주파수, N= 전기자권선턴수, Qf = 계자자속)
여기에서 주파수(f)는 일정하고 전기자권선턴수(N)을 늘리게 되므로 계자자속(Qf)은 줄어들어야 유기기전력(E)이 일정해진다.

권선의 턴수(N)가 늘어날 때 유기기전력을 일정하게 해주기 위해서는 계자자속을 줄여야 한다.

자속(Q) = B X A (B=자속밀도, A=단면적)
에서 자속밀도(B)는 재료에 따라 일정한 값이므로
자속(Q)을 줄이기 위해서는 철심의 단면적(A)를 줄여야 한다.

이렇게 설계되면 동의 양은 늘고 철의 양은 줄어들면서 '동기계'가 된다.

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2. 단락비가 작은 경우 발전기 특징

동기계가 되면서 핵심적임 장점은 소형이 되고 싸진다.
전력기를 만들 때 이 부분이 가장 중요하다. (사이즈, 경제성)

단점으로 동기리액턴스 커지면 내부 임피던스가 커지므로 전압변동률이 나쁘다. 그래서 안정도면에서 좋지 않다.
그러나 요즘 발전기는 속응여자방식을 채택하고 있다. 즉, 계자전류를 신속하게 바꿀 수 있다. 그러므로 제어를 통해 필요에 따라 전압변동의 문제를 완화시킬 수 있다.

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3. 철기계, 동기계 비교표

위에서 공부한 철기계, 동기계 특성을 정리하면 아래의 표로 나타낼수 있다.

동기계, 철기계 특성 비교표

위의 특징 중 사이즈와 경제성이 가장 중요한 부분이므로 선택할 수 있다면 동기계에 가깝게 설계한다.
하지만 수차발전기와 같은 저속기의 경우 다극기로 만들어야 하므로 어쩔수 없이 철기계에 가깝게 설계한다.