개요
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전기기기를 강의하는 첫 시간에 학생들에게 우리 생활에서 볼 수 있는 전기기기를 열거하여 보라고 합니다. 학생들의 대답은 거의 예외 없이 TV 로부터 시작하여 라디오, 전기 시계, 냉장고 등으로 연결됩니다. 이것이 맞는 대답일까요? 물론 전기를 이용한 기기 (혹은 기계라는 말도 동일하게 사용됩니다) 라는 상식적인 생각으로 볼 때는 아무런 문제가 없습니다. 그런 논리에서보면 전기를 사용하는 기계는 모두 전기기기라는 표현이 가능하다는 말일까요?
이 부분에서 일반적인 대학교 전기공학 전공의 학생들이 두 학기동안 배우는 “전기기기”의 정의와 범위를 명확히 할 필요가 있습니다. 이 책에서 다룰 전기기기의 내용은 전기적 에너지를 기계적 에너지로, 혹은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치를 의미합니다. 또한 전기적 에너지를 전기적 에너지로 바꾸는 기능의 에너지 변환기도 포함하여 거론합니다. 다시 말하면 발전소에서 수력 혹은 화력의 방법으로 얻은 기계적인 힘으로 전기를 발생하는 발전기, 전기를 사용하여 기계적인 힘을 얻는 전동기, 그리고 전기적 성질을 변환하기 위하여 송전용 혹은 가정용으로 사용하는 변압기의 세 가지 종류의 기기를 말합니다.
전동기, 발전기, 변압기가 전기기기라는 과목의 세 가지 주제라고 할 수 있습니다. 전동기와 발전기가 기계적 운동을 포함하므로 운동기라고 하며, 이에 대하여 변압기는 움직이는 부분이 없기 때문에 정지기라고 분류하기도 합니다. 운동기는 또한 기기의 입력 또는 출력에서 사용되는 전기에너지 종류로 교류기 혹은 직류기로 분류하기도 합니다. 즉 직류를 이용하는 기기는 직류기, 교류를 이용하는 기기는 교류기라고 부릅니다. 기기의 입력과 출력의 에너지 형태를 정확히 이해하는 것이 중요하며, 이는 기기의 동작원리를 이해하는 데 필수적입니다.
그림 1.1 은 우리 생활 속에서 자주 접하는 전기기기에 대하여 설명하고 있습니다. 수력, 화력, 원자력 등으로 발생한 동력은 원동기를 통하여 발전기의 축을 돌려주게 됩니다. 교류 발전기는 삼상을 발전합니다. 이 삼상교류 전원은 송전선을 통하여 송전되기 좋은 전압으로 승압됩니다. 이는 수요자에게 전달하기 위해 변압기를 한번 이상 거치게 됩니다.
전기로 동력을 발생하기 위해서는 전동기를 사용합니다. 수요자가 전기를 사용하는 방식은 삼상 교류를 직접 사용하거나, 단상 교류를 사용하거나, 직류로 변환하여 사용하게 됩니다. 이와 같이 발전기, 변압기, 전동기는 전기기기의 세 가지 기본이라고 할 수 있습니다. 전동기의 사용은 산업 선진화의 잣대가 되기도 합니다. 선진국형 고급 자동차에는 자동차 한 대 당 사용되는 직류 소형 전동기가 100 여개에 육박하는 수준에 이르고 있습니다. 파워 윈도우, 냉각 시스템, 좌석의 전동장치 등 일상생활 속에서 전기기기의 사용 범위는 실로 방대합니다.
그렇다면 전기기기를 배우는 데 필요한 기본 지식은 무엇일까요? 강의를 끝내면서 이러한 질문을 받은 적이 있습니다. 결국 전기기기의 구조는 모두 전기적인 소자로 구성이 되어있으니 저항, 인덕턴스, 커패시턴스 등의 세 가지 전기 소자로 표시될 수 있는 것이지 무엇이 그리 복잡할 이유가 있느냐는 것입니다.
사실 어느 정도는 복잡합니다. 이상의 세 가지 전기 소자는 수동소자로 불리는 요소입니다. 전기기기에는 직접적으로 전압을 발생시키는 부분이 있습니다. 이러한 부분이 전압 혹은 전류의 소스가 됩니다. 또한 기계적인 에너지와 전기적인 에너지의 변환관계를 해석하고, 전기 자기적인 문제점도 고찰을 하여야 하고, 물리적인 힘과 운동의 관계도 고려해야 합니다.
이 책에서 다룰 전기기기의 종류는 직류기, 변압기, 동기기, 유도기, 단상전동기와 특수기기의 5가지로 나누었습니다. 각각의 기기를 다룰 때 다음과 같은 문제점에 관해서 다루게 됩니다.
- 어떠한 원리로 동작하는가?
- 기기의 구조를 등가적인 전기회로로 어떻게 표현할 수 있는가?
- 기기의 파라미터값을 어떠한 실험 방식으로 얻는가?
- 기계적 전기적 특성곡선이 어떠한가?
- 운전은 어떻게 하는가?
- 효율 및 특성에 관계된 파라미터의 정의와 값을 어떻게 얻는가?
이와 같은 사항들을 이해하고 활용하기 위해서 알아야 할 기본 지식은 무엇일까요? 전기기기의 기본원리는 전류의 흐름이 자장을 발생하고 또한 자장의 변화가 전압을 유기하는 사실, 그리고 자장 속의 전류가 흐르는 도체는 힘을 받는다는 사실입니다. 물리 시간에 배웠던 간단한 플레밍의 왼손과 오른손 법칙의 응용 등 실제로 전기기기의 기본원리는 이미 오래 전에 밝혀진 전기의 기본적인 성질에 근거하고 있습니다. 이러한 기본 성질들을 살펴보도록 할까요?
