제 8 장 발전기와 전동기

1. 제 8 장 발전기와 전동기 8.1 교류발전기 8.2 3상 교류 발전기 8.3 직류발전기 8.4 직류전동기 8.5 교류전동기 8.6 3상 교류전동기 8.7 스텝 모터 Paul Fleming 전기전자공학개론

2. EMF와 EMI • 전자력(Electromagnetic force)-자계내에 전류가 흐르는 도체를 두면 도체는 힘을 받는다 • 플레밍의 왼손법칙 적용 • 모터의 작동원리 • 전자유도(Electromagnetic induction)-도선에 자기장을 가하면 전류가 생성 • 플레밍의 오른손 법칙 적용 • 발전기의 작동원리 • 기계적인 회전에너지로 전력 생성 • 발전기와 전동기의 기본 구성형태 • 영구자석이나 전자석으로 자계 형성 • 코일로 만들어진 회전자 • 코일은 링형 정류자(슬립링)에 연결 • 정류자는 브러시와 접촉 • 브러시는 교류전류를 공급/추출 • 발전기가 작동하기 위한 3대 조건 • 계자 : 자장 • 전기자 : 자장 내에 도체 위치 • 회전자와 고정자 : 자장과 도체의 상대운동 전기전자공학개론

3. 교류발전기의 작동원리 • 자계에 대한 회전자의 위치에 따라 유도되는 전압은 정현함수의 형태를 갖는다 전기전자공학개론

4. 교류발전기의 유형 • 영구자석은 취성(brittle)재료이므로 크기에 제약이 있다. • 영구자석 대신에 계자로 전자석을 사용하거나 회전자와 계자의 역할을 치환하는 등의 다양한 변형이 가능하다. 슬립링에 가해지는 부담 최소화 전기전자공학개론

5. 회전-계자 방식의 다양한 유형 • 돌출된 고정자와 원통형 회전자 • 돌출된 고정자의 코일과 돌극 회전자 • 홈에 위치한 고정자 권선과 돌극 회전자 • 홈에 위치한 고정자 권선과 원통형 회전자 전기전자공학개론

6. 고정자와 전기자 코일 • 전기자 코일을 원주방향으로 분산하여 원형 계자 내부에 균일한 자기장 형성 • 전기자 코일의 극수(P)를 늘리면 1회전당 생성되는 전력의 주파수가 늘어난다 f=(P.N)/120 [Hz] = 60 [Hz] in Korea • 발전기의 극수를 늘리면 회전자의 회전속도를 줄일 수 있어 발전기가 대형화 할 수록 회전속도를 낮추기 위해 극수를 늘인다 전기전자공학개론

7. 2상/3상 교류 • 가정용 교류전원은 2상 -안전성이 높다 -전력 효율이 낮다 • 산업용 교류전원은 3상 -위험성이 높다 -전력효율이 높다 • 2상/3상 모두 순시전력은 항상 0 • 공간적으로 120o의 각으로 회전체에 감겨 있는 코일이 자계 내에서 일정한 속도로 회전하면 각 코일에서는 2/3p씩 위상차를 갖는 크기와 주파수가 동일한 3 개의 전압이 발생한다 전기전자공학개론

8. A B C 위상 위상 위상 o o o 120 240 360 w t o o o 60 180 300 3상 시스템 전기전자공학개론

9. 12.5 kV , 3 상 전력 변압기 240 V , 중간탭 접지로 성형결선 • 3상교류 발전기의 출력선은 6개를 연결하여 3선으로 만드는 방법 • Y 형 결선 • D형 결선 • 3상전력과 가정용 2상 전력간의 변환 전기전자공학개론

10. 직류발전기 • 정류자와 브러시를 사용하는 원리는 교류발전기와 동이하지만 정류자는 두 개의 반원형 슬립링으로 나누어진다. • 전력송전 효율과 안전성의 문제 때문에 교류발전기에 밀려 사장됨 전기전자공학개론

11. 회전 N a b S S S N S N N 회전 b b N S N S a a b S S N N S S N S N S N N S N a S N S N S N 직류전동기 • 전동기(motor)-EMF를 사용하여 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 바꾸는 기계 • 직류전동기-직류전원으로부터 회전력을 얻는 회전기계, EMF를 이용하여 토크 발생 • 정류자/브러쉬/회전자/계자로 구성 • 계자-정적인 자계를 형성 • 회전자코일에 형성된 자장이 회전력 생성 전기전자공학개론

12. 직류전동기 • 권수를 늘린 전기자 코일 • 항상 전기자와 계자의 자장방향은 직각으로 최대의 회전력 유도 가능 • 다수의 전기자가 연속 작동으로 원활한 회전력 생성 전기전자공학개론

13. 교류와 회전자계 • 60Hz 일반 교류 전원은 1초에 120번 전류의 흐르는 방향이 바뀐다. • 3상 전원은 3개의 상을 갖는다. • 회전자장-3상 전원을 고정자에 120o간격으로 배치된 세 개의 코일 aa’, bb’, cc’에 가하면 자기장은 고정자 내에서 회전하게 된다(60 rev/sec) 최초의 회전자계형 모터Galileo Ferraris (이탈리아,1885) 전기전자공학개론

14. 3상 동기 전동기(Synchronous motor) • 회전자계는 일반 교류전동기에서와 동일-회전자계 형성 • 회전자 • 영구자석 또는 직류가 가해지는 전자석으로 구성된다. • 정적인 자장이 형성된다. • 회전자의 자력선이 고정자의 자력선과 일치하는 방향으로 회전자가 회전 • 동기전동기 • 회전자의 회전속도는 회전자에 연결된 부하와는 상관 없이 회전자계의 회전속도와 동일 • 일정한 회전속도가 요구되는 FDD, HDD, CD, DVD 및 사무용 기기 등에 사용된다. • 고부하 발생시 탈조현상이 발생한다. 전기전자공학개론

15. 3상 유도전동기 • 외부 회전자장이 철심에 기전력을 유도한다 • 새장형(농형)철심은 기전력을 축방향으로 흐르게 한다 • 기전력은 로터에 자기장을 발생시켜 마치 로터가 자화된 것과 같은 효과를 낸다 • 로터의 자계는 회전자장과 직각을 이루므로 로터는 회전자장의 회전장향을 따라가려 한다. 따라서 로터는 회전자장과 동일한 속도로 회전하게 된다. • 동기형 전동기에 비하여 효율이 낮으나 대형화가 가능하며, 고속에서도 안정된 작동성능을 보장한다. 최초의 유도전동기 Brown (스위스,1893) 전기전자공학개론

16. 스텝 모터(stepping motor) • 고정자 여자코일 L1이 전기적인 펄스에 의해 여자되면 L1은 회전자 쪽이 S 극이 되는 전자석이 되어 회전자의 N 극이 L1밑에 위치하도록 시계방향으로 회전하게 된다 • 다음 펄스를 이용하여 L2를 여자시키면 회전자의 N극은 L2밑에 위치하게 된다 • 이러한 과정을 L1L2L3L4L1 ... 과 같이 순환적으로 여자시키면 회전자는 일정한 각(90도)로써 연속적으로 회전시킬 수 있다. • 예를 들어 200개의 단계(펄스)를 거쳐 한번 회전하는 스텝 모터는 한 단계(펄스)당 1.8도 움직이게 된다(360/200=1.8). 전기전자공학개론

17. 하이브리드 형 스텝모터 전기전자공학개론

18. 리포트 • 홈페이지에 게시된 8장 연습문제 풀어오세요 웨이퍼 이송용 리니어 스테핑 모터 사례 전기전자공학개론