28. 동기 전동기 구조와 기동특성

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작성자 : 이 상 준

목차

28. 동기 전동기 구조와 기동특성

1. 실습목적

  • 3ø 동기 전동기의 구조
  • 3ø 동기 전동기의 시동특성

2. 개 요

동기속도라는 말과 밀접한 관계가 있는 전동기가 동기전동기이다. 동기기의 회전속도는 극(pole)의 수와 고정자에 공급되는 전압의 주파수에 의해 결선된다. 유도전동기와 마찬가지로, 동기전동기는 회전자계의 원리에 근거하여 동작한다. 유도전동기와는 달리 동기전동기에서는 기동토크가 발생하지 않으므로 유도기 구조물을 회전자에 추가하여 기동 토크를 얻도록 한다.
동기전동기의 작동원리를 다음과 같이 설명할 수 있다. 교류의 삼상공급 전원이 고정자 권선에 가해지면 회전자계가 형성되고 직류전류는 회전자 권선에 인가되어 회전자를 자화시킨다. 전동기는 이 두 자계 (회전자와 회전자계)가 상호 작용하여 동작하는 것으로, 회전자가 회전자계를 따라서 동기속도로 회전하게 되는 것이다. 만일 부하가 회전자 샤프트에 가해지면 회전자 속도가 순간적으로 회전자계에 비해 뒤지게 되나 두자계 간의 위상 차만 발생하면서 동기 속도로 운전이 계속된다. 만일 기계적 부하가 너무 크면 회전자는 회전자계와의 동기화 상태를 잃고 더 이상 회전하지 않게 된다. 이 경우를 전동기가 과부하되어 탈조 되었다고 한다.
동기전동기는 자체적인 기동력이 없다. 회전자는 무거우며 회전자가 완전 정지된 상태에서 전원 투입과 함께 동기속도로 회전하는 회전자계와 맞추어 자기적으로 결합(magnetic lock) 되는 것이 불가능하다. 이와 같은 이유 때문에 모든 동기전동기들은 기동장비가 필요하다. 기동장치는 회전자가 동기속도의 90% 속도에 도달할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 동기속도에 가까워 지면 기동전동기의 전원을 끊고(disconnect), 회전자는 회전자계와 결합(lock)이 가능해 진다. 동기 전동기의 회전자에 농형유도 구조물을 설치하는 것이 일반적인 동기기의 기동 방식이다. 이 농형유도권선은 회전자를 유도전동기의 원리에 의하여 동기기의 회전자를 동기속도에 근접하게 될 때까지 회전시킨다. 전동기가 동기속도에 도달한 후에도 농형 구조물은 부하의 갑작스런 변화에 의한 회전자 발진(rotor oscillation)을 제동(dampen)해 주는 역할을 한다.

3. 준 비 물

  • 동기 전동기/발전기 EMS8241
  • 전기동력계 EMS8911
  • 전원공급장치(0-120/280V 3ø,120Vdc,0-120Vdc) EMS8821
  • 동기스위치 EMS8621
  • 교류전류계 (8A) EMS8425
  • 교류전압계 (250V) EMS8426
  • 회전속도계 EMS8920
  • 리드선 EMS8941
  • 타이밍벨트 EMS8942


4. 실 습

1. 전동기, 슬립링, 가감저항기, 결선단자, 결선 등에 주목하며 동기전동기/발전기의 구조를 살펴본다.
2. 모듈의 뒷면에서 전동기를 볼 때 :
a) 2개의 슬립링과 브러쉬를 찾는다.
b) 브러시의 이동이 가능한가?
c) 두 회전자 권선은 회전자 축 위의 슬롯을 통해 두개의 슬립링으로 연결된다.
d) 회전자의 직류 제동권선(damper winding)을 찾는다.
e) 제동권선 밑에 있는 4개의 돌극(salient pole)을 찾는다.
f) 고정자 권선을 찾는다. 이 고정자권선이 3ø 농형 유도전동기, 권선형 유도전동기의 고정자권선과 동일함에 주목한다.
3. 모듈의 앞 표면을 볼 때 :
a) 세개의 분리된 고정자권선은 각각 단자_____과_____, 단자_____과_____, 단자_____과_____로 결선된다.
b) 고정자 권선의 정격전압은 ? _____Vdc
c) 고정자 권선의 정격전류는 ? _____Aac
d) 회전자권선은 150Ω의 가변저항기를 지나 단자_____과_____로 결선된다.
e) 회전자권선의 정격전압은 ? _____Vdc
f) 전동기의 정격속도, 마력은 ? r/min = _____, hp = _____
기동특성
4. 동기전동기/발전기, 전원공급장치, 교류전류계를 사용하여 그림 34-1의 회로를 꾸민다. 세 고정자권선은 전원공급장치의 3ø 고정 208V(단자 1,2,3)로 와이 결선된다.

파일:34.1.jpg Fig. 34-1

5. 다음의 실험을 진행한다.
a) 전원을 켠다. 전동기는 원활하게 기동되어 일반 유도전동기와 같이 회전한다.
b) 회전 방향에 주목한다.
회전방향 =_____, I1 =_____Aac
c) 전원을 끈 후, 전원공급장치로 부터의 임의의 두 선을 바꿔 꽂는다.
d) 전원을 켠 후, 회전방향을 살펴본다.
회전방향 = _____, I1 = _____Aac
e) 전원을 끈다.
6. 전기동력계와 동기화 스위치 모듈을 사용하여 그림 34-2의 회로를 꾸민다. 타이밍벨트를 사용하여 전동기와 전기동력계를 커플링시킨다.
7. 다음의 실험을 실행한다.
a) 동기화 스위치 모듈은 고정자권선에 대한 3ø전력의 on-off스위치로 쓰인다. 스위치를 off 위치에 놓는다.
b) 전기동력계는 전원공급장치의 고정 120Vac 출력(단자 1과 N)으로 결선 된다. 전기동력계의 조절 손잡이를 40%의 여자가 되게끔 놓는다.
c) 동기전동기의 회전자는 전원공급장치의 고정 120Vdc 출력(단자 8과 N)으로 결선 된다. 계자 가변저항기의 영점을 조정한다.
d) 만일 전동기에 스위치 S가 장착되어 있는 모델이라면, 닫도록 한다.
8. 다음의 실험을 실행한다.
a) 전원공급장치를 켠다. 동기화 스위치를 닫아 3ø 전력을 공급한 후 변화를 관찰한다.
전원을 10초 이상 켠채로 놓아두어서는 안된다. (이 시험의 모든 실험에 적용된다)
b) 발생된 변화에 대해 설명하도록 한다. 부하가 인가된 상태에서 전동기는 기동되지 않는다.
c) 전류계가 가리키는 값은 ? _____A
d) 동기전동기는 부하가 인가된 상태에서 계자의 직류여자로 시동되는가?

파일:34.2.jpg Fig. 34-2

9. 다음의 실험을 실행한다.
a) 동기전동기의 회전자를 전원공급장치의 가변 0-120Vdc 출력(단자 7과 N)으로 결선한다.
b) 가변출력전압을 0으로 놓은 후 전원을 켠다. 동기화 스위치를 닫아 3ø 전력을 공급한 후 변화를 관찰한다.
c) 발생된 변화에 대해 설명한다.
d) 전동기가 유도전동기로서 작동되는가?
e) 전원공급장치의 출력을 120Vdc 로 조정한다.
f) 발생된 변화에 대해 설명한다.
g) 전동기가 동기전동기로서 작동되는가?
h) 전압을 0으로 돌린 후 전원을 끈다.
10. 다음의 실험을 실행하시오.

파일:34.3.jpg Fig. 34-3

a) 그림 34-3의 회로를 꾸민다.
b) 전기동력계의 조절 손잡이를 시계방향으로 끝까지 돌린다. (동기전동기의 최대 시동부하를 위해)
c) 만일 동기전동기에 스위치 S가 장착되어 있는 모델이라면 닫도록 한다.
11. 다음의 실험을 실행한다.
a) 전원을 켠 후 E1,E2,I1 발생 시동토크를 신속히 측정한다. 전원을 끈다.
E1 =_____Vac, E2 =_____Vac, I1 =_____ Aac, 시동토크 = _____ lbf.in
b) 시동토크시 전동기의 피상전력을 계산하시오.
피상전력 = _____ VA
c) 1800r/min시 1/4 마력에 해당되는 전부하 토크를 계산하시오.
전부하토크 = _____lbf.in
d) 전부하토크에 대한 시동토크의 비율을 계산하시오.
비 율 =_____
e) 큰 교류전압 E2가 회전자 권선내에 유도되는 이유를 설명하시오.
12. 회로의 결선을 그대로 놓아 둔 채 전원을 켠 후 전기동력계의 조절손잡이를 반시계방향으로 돌려서 부하를 줄인다.
전동기는 전속도에 도달하게 되어 농형유도전동기와 같이 회전하게 된다. 유도전압에 미치는 영향을 살펴본다.
a) 전동기의 속도가 증가할때 E2가 감소되는 이유는? (회전자계가 회전자 권선을 상호 쇄교하는 비율이 감소한다)

5. 실습평가

1. 동기전동기의 시동시 주의해야 할 사항은?
2. 만일 농형권선이 동기전동기로부터 제거된다면, 동기전동기는 그 자체로서 시동되는가?
3. 동기전동기의 회전자 권선이 시동시 외부저항으로 결선되는 이유 2 가지를 서술하시오
4. 동기 전동기의 시동 특성을 3ø 농형유도전동기와 비교하시오.
개인 도구