1. 개요
직류발전/전동기, 동기발전/전동기, 변압기, 유도기, 기타 특수기 총 5파트로 구성이 되어 있다.추천 기본서는 sen, guru, sarma 등이 있다.
2. 전기기기의 기초
이는 모든 전기기기에서 기초가 되는 부분이다.- 계자(Field): 자속을 만드는 곳. 무조건 코일을 돌려준다고 전기가 생성되지는 않는다. 자력이 나오도록 세팅을 해 주어야 한다. 이 자력선을 나오게 하는 장치가 계자(field) 이다. 다른 전원에서 자력을 공급해주는 방식을 '타여자'방식 이라고 하며, 발전된 전원에 의해 자력을 공급해 주는 방식을 '자여자'방식 이라고 한다.
- 전기자(Armature): 전기를 만드는 곳. 자속이 세팅되어 있는 곳에 코일을 돌려주면 전기가 만들어진다. 물론, 전기자나 계자 중에 하나만 돌려주면 전기가 만들어진다. 주로 직류 발전기는 전기자가 회전하는 반면, 교류 발전기의 동기 발전기는 계자가 회전한다.
- 슬립링: 계자 또는 전기자가 돌아가야 하는 경우에 이용하는데, 멈추어 있는 전선까지 같이 돌아가지 않게 하기 위해 설치하는 장치.
- 정류자: 계자 또는 전기자에서 만들어진 교류전기를 직류로 변환시켜주는 장치
- 브러시: 외부회로(부하)와 연결시켜주는 부분
3. 직류기
3.1. 직류발전기
직류를 생성하는 발전기(Generator).하지만 회전운동에 의해 생성되는 전기는 교류밖에 없다. 즉, 교류로 뽑은 다음에 브러시를 이용해 바뀐 전류의 방향을 다시 바꾸게 하는 방법으로 정류시키는 거다. 전기자 권선 방법으로는 폐로권, 고상권, 이층권이 많이 쓰이며, 이층권 중에 중권(병렬)과 파권(직렬)이 있다. 정류 과정없이 바로 직류를 생성하기 위해서는 연료 전지, 태양광 발전 등에 의존할 수밖에 없다.
- 타여자 발전기: 계자와 전기자가 분리되어 있는 발전기. 쉽게 말해 건전지 별매인 발전기.
- 자여자 발전기: 계자와 전기자가 연결되어 있는 발전기. 전기자에서 생성된 전기를 계자에 보내주어 발전한다.
- 직권 발전기: 계자와 전기자가 직렬로 연결되어 있는 발전기. 무부하시 스스로 전압을 확립하지 못한다는 단점이 있다.
- 분권 발전기: 계자와 전기자가 병렬로 연결되어 있는 발전기.
- 복권 발전기: 계자와 전기자가 직렬과 병렬로 연결되어 있는 발전기. 감는 방향에 따라 가동복권과 차동복권이 있다.
- 전기자 반작용: 전기자 전류에 의한 기자력이 주자속의 분포에 영향을 주는 현상. 보극 또는 보상권선 설치로 어느 정도 제거할 수 있다.
- 감자작용: 주 자속이 감소되는 현상으로, 출력되는 전압이 감소될 수 있다.
- 편자작용: 자속의 분포가 한쪽으로 기울어지는 현상으로, 중성축이 이동되어 불꽃을 발생시킬 수 있다.
- 병렬 운전 조건: 2대 이상의 직류 발전기를 같이 작동시키기 위해서는 조건을 갖추어야 한다.
3.2. 직류전동기
직류로 움직이는 전동기(Motor). 계자와 전기자가 직렬로 연결되어 있는 직권 전동기가 있으며, 전동차와 같은 무거운 물체를 움직이거나 드릴과 같은 센 힘을 전달하는데 사용된다. 반면, 계자와 전기자가 병렬로 연결되어 있는 분권 전동기가 있으며, 두 가지가 병합된 복권 전동기가 있다.- 타여자 전동기: 계자와 전기자가 분리되어 있는 전동기. 미니카 속에 들어가 있는 영구 자석달린 모터가 이에 해당한다.
- 자여자 전동기: 계자와 전기자가 연결되어 있는 전동기.
- 직권 전동기: 계자와 전기자가 직렬로 연결되어 있는 전동기. 전동드릴, 코레일 1000호대 전동차처럼[4] 직류로 움직이는 전동차처럼 큰 힘을 필요로 하는 곳에 쓰인다. 벨트는 그 특성상 끊어지거나 벗겨지면 무부하 상태가 되어 위험속도에 도달할 수 있으므로 사용이 금지 된다.
- 분권 전동기: 계자와 전기자가 병렬로 연결되어 있는 전동기. 여기 저기 다 쓴다. 무여자시 위험속도에 도달할 우려가 있으므로, 계자에 퓨즈 사용을 금지하고 있다.
- 복권 전동기: 계자와 전기자가 직렬과 병렬로 연결되어 있는 전동기
4. 동기기
4.1. 동기발전기
발전소나 빌딩 지하 엘리베이터가 안 가는 곳에 가면 볼 수 있는거. 계자는 배터리 직류 전원에 연결하며, 전기자에서 전기가 생산된다. 3상 전기를 뽑아내려니 전선이 적게 연결된 계자를 돌리는게 편하기 때문에 주로 계자를 회전시킨다. 전기자 권선법으로는 코일을 짧게 감아 고조파 제거에 유리한 단절권, 코일을 골고루 넣는 분포권이 많이 사용된다.- 전기자 반작용: 계자의 자기장과 전기자의 자기장이 만나 좋지 않은 영향을 끼치는 작용.
- 교차자화작용
- 감자작용
- 증자작용
- 병렬 운전 조건: 2대 이상의 동기 발전기를 같이 작동시키기 위해서는 기전력의 크기, 위상, 주파수, 파형이 같아야 한다.
- 기전력의 크기가 다르면 서로의 전압을 맞추어 주기 위해 무효 순환전류가 흐를수 있다.
- 기전력의 위상이 다르면 위상을 맞추기 위한 동기화 전류가 흐를 수 있다.
- 기전력의 주파수가 다르면 난조(떨림 현상)가 발생할 수 있다.
- 기전력의 파형이 다르면 고조파 무효 순환전류가 흐를 수 있다.
- 기전력의 상회전 방향이 다르면 굉장히 큰 순환전류가 흐를 수 있다.
4.2. 동기전동기
회전력(토크)이 없기 때문에 처음에 돌릴 때에는 외부의 힘에 의해 돌려주어야 한다. 주로 속도를 신경쓰지 않는 환풍기 등에 이용되기도 하며, 콘덴서와 같이 역률을 개선하는데 이용된다. 이런 경우에는 동기 조상기라고도 불린다.5. 변압기
전압을 바꾸는 기기. 코일의 권수(감는 수)에 비례하며, [5] 전압이 낮아지면 그 비율만큼 전류가 증가하기 때문에 전체 용량의 변화는 거의 없다. 3상의 경우 결선방식이 따라 Y결선과 델타(Δ)결선이 있다.- 병렬 운전 조건: 2대 이상의 단상 변압기를 같이 작동시키기 위해서는 아래의 조건을 모두 갖추어야 한다.
- 각 변압기의 극성이 같아야 한다. 같지 않으면 매우 큰 순환전류로 권선이 소손[6]된다.
- 각 변압기의 권수비 및 1차와 2차의 정격전압이 같아야 한다. 같지 않으면 큰 순환전류로 권선이 과열된다.
- 각 변압기의 퍼센트 임피던스 강하가 같아야 한다. 같지 않으면 부하의 분담이 달라지게 된다.
- 각 변압기의 누설 리액턴스와 내부저항의 비율이 같아야 한다. 같지 않으면 (각 변압기의 위상차로 인한) 동손이 증가하게 된다.
6. 유도기
6.1. 유도발전기
유도발전기는 동기발전기와 다르게 여자기가 없어 스스로 발전을 할 수 없다. 따라서 유도발전기는 외부에서 고정자에 상용전원을 인가해주어야 발전을 할 수 있다. 이러한 특징으로 인해 유도발전기는 독립전원으로 사용하기에는 부적합하며 상용전원과 연계하는 풍력설비에 사용하는 것이 적합하다.유도발전기는 동기속도 이하로 회전한다면 발전할 수 없고 동기속도 이상 ( s < 0 ) 이어야 발전을 할 수 있다.
만일 풍력발전설비에서 유도기의 회전속도가 느려지게 되어 동기속도 이하가 되면 유도발전기는 유도전동기가 되어 전력을 소모한다.
6.2. 유도전동기
교류를 이용한 전동기. 구조는 매우 간단하여 현존하는 대부분의 전동기에 사용된다. 선풍기를 봐도 알 수 있다. 크게 권선형 유도 전동기와 농형(바구니형) 유도 전동기로 나눌 수 있다.- 기동법: 전압을 바로 인가하는 전전압 기동(5 kW 이하), 리액터의 전압강하를 이용한 리액터 기동(주로 10 kW 이하), 기동전류를 ⅓로 줄여 기동하고 운전시에는 전전압을 가하는 Y-Δ 기동(5 ~ 15 kW), 단권 변압기로 전압을 조절하여 기동하는 기동보상기법 (15 kW 이상) 등이 있다.
- 속도 제어: 농형 유도 전동기는 극수 제어와 주파수 제어로 속도를 조절하며, 요즘은 주파수 변환기의 발전으로 대부분 주파수제어로 속도를 제어한다. [7] 권선형 유도 전동기의 속도 제어로는 비례추이를 이용한 2차 저항제어, 슬립 주파수 전압을 인가시켜 회전자 슬립을 제어하는 2차 여자제어 등이 있다.
- 제동
- 회생제동: 유도 전동기를 유도 발전기로 작동시켜 얻어지는 전력을 전원으로 반환시켜 제동하는 방법이다.
- 발전제동: 유도 전동기를 전원으로부터 분리시킨 다음 1차측에 직류를 인가하여, 유도 발전기로 작동시켜 얻어지는 전력을 저항에서 열로 소비시키면서 제동하는 방법이다.
- 역상제동: 1차측 임의의 3권선 중 2개를 바꾸어 꼽으면 역방향의 토크가 발생하는데, 그 역방향의 토크를 이용해 제동하는 방법이다. 매우 급하게 정지시킬 때 사용하는 방법이다.
- 단상제동: 권선형 유도 전동기의 1차측을 단상교류로 여자시키고, 2차측에 적당한 저항을 넣으면 역방향의 토크가 발생하게 하여 제동하는 방법이다.
- 이상 현상
- 크로우링 현상: 농형 유도 전동기 계자에 고조파 전류가 유입되어 생기는 현상으로, 회전자가 정격속도에 이르지 못하고 도중에 멈추어 버리는 현상이다.
- 게르게스 현상: 권선형 유도 전동기 회전자 권선의 한 상이 결상될 때에 운전되는 현상으로 정격속도의 ½로 속도가 감소되는 현상이다.
7. 정류기
크게 교류를 직류로 바꾸는 컨버터와 직류를 교류 전기로 바꾸는 인버터가 있다. 여러가지 반도체 소자들도 정류기에 포함된다. 일반적으로는 교류를 직류를 바꾸는 컨버터 정류기, 일명 어뎁터를 많이 사용하니 그 원리의 순서를 기술하자면 다음과 같다:- 우선 정류를 하기 좋은 정도로 전압과 전류를 낮춘다.
- 전압을 낮춘 교류에서 한쪽으로만 전류가 흐르도록 흐름을 통제한다. 보통 양극(플러스) 쪽으로만 흐르도록 한다. 이를 정류라고 한다.
- 정류의 원리는 간단하다. 교류는 양극(플러스)으로 흐르는 전류와, 음극(마이너스)으로 흐르는 전류가 서로 번갈아가면서 진동하듯이 왔다갔다 흐르는 것을 말하는데, 회로를 이용해서 전류가 음극으로 흐를 때는 차단하고, 양극으로 흐를 때만 흘려 보내는 것이다. 그러면 결과론적으로는 양극으로만 흐르는 전류만 나온다. 하지만 음극으로 차단될 때는 그 시간 동안 전류가 끊긴다는 문제가 있다. 즉 양극으로 흐르는 전류가 뚝뚝 끊어지며 나온다.
- 그래서 이렇게 뚝뚝 끊기는 양극의 변화 폭을 줄인다. 이를 '평활화'라고 한다.
- 최종적으로 가전 제품에 알맞는 전압과 전류로 다시 전력을 조정한다.
이런 네 단계의 과정을 거쳐 교류 전기를 직류로 사용하는 것이다.
8. 각종 시험에서의 출제
전기 분야에서의 필수과목 취급을 받고 있어서, 어지간한 관련 시험에서는 다 튀어나온다.객관식 시험
- 전기기능사, 전기기능장 - 10~20문제 정도 출제된다.
- 전기기사, 전기공사기사, 전기산업기사, 전기공사산업기사 - 전기기기 (20문제)
- 철도신호기사, 철도신호산업기사 - 신호기기[8] (20문제 중 8~14문제[9])
- 기술직 7급 공무원 시험 - 전기기기 (전기직)
- 기술직 9급 공무원 시험 - 전기기기 (전기직)
논술형 시험
8.1. 국가기술자격증 전기분야에서의 출제경향
전기기사/전기산업기사 및 전기공사기사/전기공사산업기사의 경우, 각 기기의 등가 회로, 전력과 동력의 변환 관계를 이해하는 것이 가장 기본이며, 발전기는 유도기전력, 전동기의 경우 기동/제동법, 속도 제어법, 손실 등등 암기와 이해의 비중이 크다. 변압기 부분의 경우 다른 과목은 물론 실기 시험에서도 연관이 크기 때문에[10] 제대로 이해하는 것이 중요하다.전기기능사에서도 약 20문제 정도 출제되는데, 위의 4개 자격증과 내용이 거의 동일하고 단지 난이도나 문제의 답안 유형이 조금 더 쉽게 되어있을 뿐이라 기초를 쌓을 때 큰 도움이 된다.
[1] 극이 같아야 같이 밀어줄 수 있다.[2] 비슷한 예로 전압이 다르거나 충전상태가 다른 건전지를 병렬 연결할 때, 전류가 부하로만 흐르는 것이 아니라 다른 건전지로 흐르게 되는 무효 순환전류가 발생할 수 있다.[3] 전압이 떨어지는 특성[4] 지금은 VVVF 농형 유도전동기가 주로 사용된다.[5] 쉽게 말해 22,900번을 감으면 22,900V가 되고, 220번을 감으면 220V가 된다고 생각하면 된다.[6] 불에 타서 부서짐[7] 흔히 볼 수 있는 전기 기관차 역시 주파수로 속도를 제어한다.[8] 동기기와 교류정류자기는 출제기준에 포함되지 않는다.[9] 나머지는 신호공학의 내용과 관련된 기기(예를 들면, 신호계전기, 건널목 전동차단기, 건널목 제어기기 등)와 관련된 내용이 출제된다.[10] 실제로 각 기기들의 특성을 서술하라는 단답형 문제가 자주 출제된다.