전기기계
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1. 개요
전기기계는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기와 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 전동기를 포함하는 장치이다. 발전기는 교류 발전기와 직류 발전기로 나뉘며, 전동기는 교류 전동기와 직류 전동기로 분류된다. 유도 기계, 리럭턴스 기계, 다상 교류 기계, 정전기 기계, 동극 기계 등 다양한 종류가 있으며, 영구 자석 기계와 브러시 기계, 유도 기계가 있다. 전기 기계의 작동을 최적화하기 위해 전자 제어 장치가 사용되는 전기 기계 시스템도 존재한다.
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| 전기기계 | |
|---|---|
| 전기 기계 | |
| 유형 | 전력 기계 |
| 작동 원리 | 전자기 유도 |
| 관련 법칙 | 앙페르 법칙 패러데이 전자기 유도 법칙 렌츠의 법칙 |
| 주요 부품 | 고정자 회전자 정류자 브러시 |
| 활용 분야 | 발전기 전동기 변압기 계전기 전기 변환기 |
| 발전기 | |
| 유형 | 동기 발전기 유도 발전기 직류 발전기 |
| 용도 | 전기 에너지 생성 |
| 전동기 | |
| 유형 | 직류 전동기 교류 전동기 동기 전동기 유도 전동기 유니버설 전동기 스테퍼 모터 |
| 용도 | 기계적 에너지 생성 |
| 변압기 | |
| 유형 | 권선형 변압기 자동 변압기 단권 변압기 변성기 |
| 용도 | 전압 변환 |
| 기타 | |
| 관련 학문 | 전기 공학 |
| 관련 기술 | 전력 시스템 제어 공학 전자 공학 |
2. 발전기 (Generator)
전기 발전기는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 발전기는 외부 전기 회로를 통해 전자가 흐르도록 하는데, 이는 물 펌프가 물을 생성하지 않고 물의 흐름을 만드는 것과 유사하다. 기계적 에너지원인 원동기에는 증기 기관, 수력 발전 터빈 또는 물레방아, 내연 기관, 풍력 터빈, 수동 크랭크, 압축 공기 등이 있다.
전기 기계는 기계적 또는 전기적 용어로 설명할 수 있다. 기계적 용어에서 회전자는 회전 부분이고, 고정자는 고정 부분이다. 전기적 용어에서 전기자는 전력을 생산하는 구성 요소이고, 계자는 자기장 구성 요소이다. 전기자는 회전자 또는 고정자에 있을 수 있으며, 자기장은 전자석 또는 영구 자석으로 제공될 수 있다. 발전기는 교류 발전기와 직류 발전기 두 가지 유형으로 분류된다.
2. 1. 교류 발전기 (AC generator)
전기 발전기는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 발전기는 외부 전기 회로를 통해 전자가 흐르도록 하는데, 이는 물 펌프가 물을 생성하지 않고 물의 흐름을 만드는 것과 유사하다. 기계적 에너지원인 원동기에는 왕복 또는 터빈 증기 기관, 수력 발전 터빈 또는 물레방아, 내연 기관, 풍력 터빈, 수동 크랭크, 압축 공기 등이 있다.
전기 기계는 기계적 또는 전기적 용어로 설명할 수 있다. 기계적 용어에서 회전자는 회전 부분이고, 고정자는 고정 부분이다. 전기적 용어에서 전기자는 전력을 생산하는 구성 요소이고, 계자는 자기장 구성 요소이다. 전기자는 회전자 또는 고정자에 있을 수 있으며, 자기장은 회전자 또는 고정자에 장착된 전자석 또는 영구 자석으로 제공될 수 있다. 발전기는 교류 발전기와 직류 발전기 두 가지 유형으로 분류된다.
교류 발전기는 기계 에너지를 교류 전력으로 변환한다. 계자 회로로 전달되는 전력이 전기자 회로로 전달되는 전력보다 훨씬 적기 때문에, 교류 발전기는 거의 항상 회전자에 계자 권선을 두고 고정자에 전기자 권선을 둔다.
교류 발전기는 다음과 같이 여러 유형으로 분류된다.
- 유도 발전기: 고정자 자기 플럭스가 회전자에서 전류를 유도한다. 이후 원동기가 회전자를 동기 속도 이상으로 구동하여 반대 방향의 회전자 플럭스가 고정자 코일을 절단, 고정자 코일에 유효 전류를 생성하여 전력을 전력망으로 보낸다. 유도 발전기는 연결된 시스템에서 무효 전력을 끌어오므로 고립된 전력원이 될 수 없다.
- 동기 발전기(교류 발전기): 직류 전류원이 자기장의 전류를 공급하며, 이는 별도 또는 전파 정류기를 사용하여 기계의 출력에서 정류된다.
2. 2. 직류 발전기 (DC generator)
전기 발전기는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 발전기는 외부 전기 회로를 통해 전자가 흐르도록 한다. 이는 물을 생성하지 않고 물의 흐름을 만드는 물 펌프와 다소 유사하다. 기계적 에너지원인 원동기는 왕복 또는 터빈 증기 기관, 수력 발전 터빈 또는 물레방아, 내연 기관, 풍력 터빈, 수동 크랭크, 압축 공기 또는 기타 기계적 에너지원일 수 있다.
전기 기계의 두 가지 주요 부분은 기계적 또는 전기적 용어로 설명할 수 있다. 기계적 용어에서 회전자는 회전하는 부분이고, 고정자는 전기 기계의 고정 부분이다. 전기적 용어에서 전기자는 전력을 생산하는 구성 요소이고 계자는 전기 기계의 자기장 구성 요소이다. 전기자는 회전자 또는 고정자에 있을 수 있다. 자기장은 회전자 또는 고정자에 장착된 전자석 또는 영구 자석으로 제공될 수 있다. 발전기는 교류 발전기와 직류 발전기의 두 가지 유형으로 분류된다.
직류 발전기(DC generator)는 기계적 에너지를 직류 전기 에너지로 변환하는 기계이다. 직류 발전기는 일반적으로 교류 대신 직류를 생성하기 위해 분할 링이 있는 정류자를 가지고 있다.
3. 전동기 (Motor)
전동기는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치이다. 전기 발전기의 반대 과정으로, 대부분의 전동기는 자기장과 전류가 흐르는 도체 사이의 상호작용을 통해 회전력을 발생시킨다. 전동기와 발전기는 많은 유사점을 가지며, 많은 유형의 전동기는 발전기로, 발전기는 전동기로 작동할 수 있다.
전동기는 산업용 팬, 송풍기 및 펌프, 공작 기계, 가전 제품, 전동 공구, 디스크 드라이브 등 다양한 분야에서 사용된다. 전동기는 직류 또는 교류 전원으로 작동할 수 있으며, 크게 AC 모터와 DC 모터의 두 가지로 분류된다.
3. 1. 교류 전동기 (AC motor)
교류 전동기는 교류를 기계적 에너지로 변환한다. 일반적으로 교류를 공급받아 회전하는 자기장을 생성하는 코일이 있는 외부 고정자(stator)와, 회전하는 자기장에 의해 돌림힘(토크)를 받는 출력 샤프트에 부착된 내부 회전자(rotor)의 두 가지 기본 부분으로 구성된다.교류 전동기의 두 가지 주요 유형은 사용되는 회전자의 유형에 따라 구분된다.
- 유도(비동기) 전동기: 회전자 자기장은 유도 전류에 의해 생성된다. 유도 전류를 제공하기 위해 회전자는 고정자 자기장보다 약간 느리게(또는 빠르게) 회전해야 한다. 유도 전동기 회전자는 농형 회전자, 권선형 회전자 및 고체형 회전자의 세 가지 유형이 있다.
- 동기 전동기: 유도에 의존하지 않으므로 공급 주파수 또는 그 하위 배수로 정확하게 회전할 수 있다. 회전자의 자기장은 슬립 링을 통해 전달되는 직류(여자) 또는 영구 자석에 의해 생성된다.
3. 2. 직류 전동기 (DC motor)
브러시 직류 전동기는 내부 정류, 고정 영구 자석, 회전 전기 자석을 사용하여 모터에 공급되는 직류 전력으로부터 직접 토크를 생성한다. 브러시와 스프링은 정류자에서 모터 내부 회전자의 회전 와이어 권선으로 전류를 전달한다. 브러시리스 직류 전동기는 회전자 내부에 회전하는 영구 자석을 사용하고, 모터 하우징에는 고정 전기 자석을 사용한다. 모터 컨트롤러는 직류를 교류로 변환한다. 이 설계는 모터 외부에서 회전하는 회전자로 전력을 전달하는 복잡성을 제거하기 때문에 브러시 모터보다 간단하다.브러시리스 동기식 직류 모터의 예로는 전체 회전을 많은 수의 단계로 나눌 수 있는 스테핑 모터가 있다.
4. 기타 전기 기계
기타 전기 기계에는 앰플리다인, 싱크로, 메타다인, 와류 전류 클러치, 와류 전류 브레이크, 와류 전류 동력계, 히스테리시스 동력계, 회전 변환기, 워드 레오나드 세트가 있다. 회전 변환기는 기계적 정류기, 인버터 또는 주파수 변환기로 작용하는 기계의 조합이다. 워드 레오나드 세트는 속도 제어를 제공하는 데 사용되는 기계의 조합이다. 기타 기계 조합에는 크라머 및 셰르비우스 시스템이 있다.
5. 전자기 회전자 기계 (Electromagnetic-rotor machines)
전자기 회전자 기계는 회전자 내부에 흐르는 전류가 고정자 권선과 상호 작용하는 자기장을 생성하는 기계이다. 회전자 전류는 다음과 같은 세 가지 방식으로 생성될 수 있다.
- 영구 자석 기계: 영구 자석 내부 전류를 이용한다.
- 브러시 기계: 브러시를 통해 회전자에 전류를 공급한다.
- 유도 전동기: 변화하는 자기장에 의해 폐쇄된 회전자 권선에 전류가 형성된다.
5. 1. 영구 자석 기계 (Permanent magnet machines)
'''영구 자석 기계'''(PM 기계)는 회전자 내부에 자기장을 설정하는 영구 자석을 가지고 있다. 영구 자석의 기자력(정렬된 스핀을 가진 궤도 전자에 의해 발생)은 일반적으로 구리 코일에서 가능한 것보다 훨씬 높다. 그러나 구리 코일은 강자성 재료로 채울 수 있으며, 이로 인해 코일의 자기 저항이 훨씬 낮아진다. 그럼에도 불구하고, 현대 PM (네오디뮴 자석)에 의해 생성된 자기장이 더 강하며, 이는 PM 기계가 지속적인 작동 하에서 회전 코일이 있는 기계보다 토크/부피 및 토크/무게 비율이 더 우수하다는 것을 의미한다. 이는 회전자 내에 초전도체가 도입됨에 따라 바뀔 수 있다.PM 기계의 영구 자석은 이미 상당한 자기 저항을 유발하므로, 공극 및 코일의 저항은 덜 중요하다. 이는 PM 기계를 설계할 때 상당한 자유를 제공한다.
일반적으로 전동기는 코일의 전류가 기계 부품을 손상시키는 온도로 가열될 때까지 짧은 시간 동안 과부하될 수 있다. PM 기계는 이러한 과부하를 덜 견딜 수 있는데, 코일의 전류가 너무 높으면 자석을 감자시키는 데 충분할 정도로 강한 자기장을 생성할 수 있기 때문이다.
5. 2. 브러시 기계 (Brushed machines)
''브러시 기계''는 회전자 코일에 전류가 브러시를 통해 공급되는 기계로, 전기 슬롯카 트랙의 자동차에 전기가 공급되는 방식과 매우 유사하다. 더 내구성이 강한 브러시는 흑연 또는 액체 금속으로 만들 수 있다. 회전자의 일부와 고정자를 토크를 생성하지 않고 전류를 전달하는 변압기로 사용하여 "브러시 기계"에서 브러시를 제거하는 것도 가능하다. 브러시는 정류자와 혼동해서는 안 되는데, 브러시는 움직이는 회전자에 전류를 전달하기만 하는 반면 정류자는 전류 방향의 전환도 제공한다는 차이점이 있다.회전자 코일과 고정자 코일 사이에는 철(일반적으로 적층 강철 코어로 만들어진 판금)과 고정자 코일 뒤의 검은색 철 외에도 철 이빨이 있다. 회전자와 고정자 사이의 간격도 가능한 한 작게 만든다. 이 모든 것은 회전자 코일에서 생성된 자기장이 통과하는 자성 회로의 자기 저항을 최소화하기 위해 수행되며, 이는 이러한 기계를 최적화하는 데 중요하다.
동기 속도로 고정자 권선에 DC를 사용하여 작동하는 대형 브러시 기계는 발전소에서 가장 흔한 발전기이다. 터빈으로 시동할 수 있고 이 시스템의 기계가 컨트롤러 없이 일정한 속도로 전력을 생성할 수 있기 때문에 전력망에 무효 전력도 공급하기 때문이다. 이러한 유형의 기계는 문헌에서 동기기라고도 한다.
이 기계는 또한 고정자 코일을 전력망에 연결하고 인버터에서 AC를 회전자 코일에 공급하여 작동할 수 있다. 장점은 분수 정격 인버터로 기계의 회전 속도를 제어할 수 있다는 것이다. 이 방식으로 작동할 때 이 기계는 브러시 이중 여자 "유도" 기계로 알려져 있다. "유도"는 유도로 설정된 기계에 유용한 전류가 없기 때문에 오해의 소지가 있다.
5. 3. 유도 기계 (Induction machines)
유도 전동기는 단락된 회전자 코일을 가지고 있으며, 여기서 전류는 전자기 유도에 의해 설정되고 유지된다. 이는 회전자 코일이 고정자 코일에 의해 생성된 가변 자기장에 노출되도록 회전자가 동기 속도가 아닌 다른 속도로 회전해야 함을 요구한다. 유도 전동기는 비동기 전동기이다.유도는 전동기의 약한 부분인 브러시의 필요성을 없앤다. 또한 회전자를 매우 쉽게 제조할 수 있는 설계를 허용한다. 금속 실린더가 회전자로 작동하지만, 효율성을 향상시키기 위해 "다람쥐 쳇바퀴" 회전자 또는 폐쇄 권선이 있는 회전자가 일반적으로 사용된다. 비동기 유도 전동기의 속도는 부하가 증가함에 따라 감소하는데, 이는 고정자와 회전자 사이의 더 큰 속도 차이가 충분한 회전자 전류 및 회전자 자기장을 설정하는 데 필요하기 때문이다. 비동기 유도 전동기는 AC 그리드에 연결된 경우 제어 수단 없이 시동 및 작동하도록 만들 수 있지만, 시동 토크는 낮다.
회전자에 초전도체를 사용하는 유도 전동기의 경우, 초전도체의 전류는 유도에 의해 설정되지만 회전자는 동기 속도로 작동한다. 이는 회전자 전류를 유지하기 위해 고정자의 자기장과 회전자의 속도 사이에 속도 차이가 필요하지 않기 때문이다.
또 다른 특수한 경우는 고정자에 이중 코일 세트를 가진 브러시리스 이중 여자 유도 전동기인데, 고정자에 두 개의 움직이는 자기장이 있으므로 동기 또는 비동기 속도에 대해 이야기하는 것은 의미가 없다.
6. 리럭턴스 기계 (Reluctance machines)
리랙턴스 기계는 회전자에 코일이 없고, 고정자 내의 "전자석"이 회전자의 톱니를 "잡아" 약간 앞으로 움직일 수 있도록 형상화된 강자성 재료만으로 구성된다. 그러면 전자석은 꺼지고, 다른 세트의 전자석이 켜져 회전자를 더 움직인다. 스텝 모터라고도 불리며, 저속 및 정확한 위치 제어에 적합하다. 리랙턴스 기계는 성능 향상을 위해 고정자에 영구 자석을 추가할 수 있다. 그러면 "전자석"은 코일에 음전류를 보내 "꺼진다". 전류가 양수일 때 자석과 전류는 협력하여 더 강한 자기장을 생성하여, 전류의 최대 절대값을 증가시키지 않고도 리랙턴스 기계의 최대 토크를 향상시킨다.
7. 다상 교류 기계 (Polyphase AC machines)
다상 전기 기계의 전기자는 동일한 위상 벡터 각도만큼 서로 오프셋된 여러 개의 권선을 포함하며, 교류 전류에 의해 전원이 공급된다. 가장 일반적인 것은 권선이 (전기적으로) 120° 간격으로 배치된 3상 기계이다.
3상 기계는 단상 기계보다 다음과 같은 주요 장점을 가진다.
- 정상 상태 토크가 일정하여 진동이 적고 수명이 길다.
- 전력이 일정하다.
- 동일한 전력에 대해 크기가 더 작다.
- 3선으로 전송하는 데 필요한 금속의 양이 단상 전송선에 비해 적다.
- 역률이 더 좋다.
3상 전동기의 권선 위상은 전동기가 회전하기 위해 ''순서''대로 여자(勵磁)되어야 한다. 정상적인 회전의 경우 V상은 U상보다 120° 뒤쳐지고, W상은 V상보다 뒤쳐진다. 이러한 순서가 바뀌면 전동기는 반대 방향으로 회전한다.
7. 1. 시퀀스 (Sequence)
3상 전동기의 권선 위상은 전동기가 회전하기 위해 ''순서''대로 여자(勵磁)되어야 한다. 예를 들어 V상은 U상보다 120° 뒤쳐지고, W상은 V상보다 뒤쳐진다(U > V > W, 정상 위상 회전, '''정상 시퀀스'''). 시퀀스가 반대로 되면(W < V < U), 전동기는 반대 방향으로 회전한다('''역상 시퀀스'''). 세 개의 모든 권선을 통과하는 공통 전류를 '''영상 시퀀스'''라고 한다. 세 개의 권선에 흐르는 교류 전류의 모든 조합은 정상, 역상 및 영상 시퀀스에 해당하는 세 개의 대칭 전류의 합으로 표현할 수 있다.8. 정전기 기계 (Electrostatic machines)
정전기 기계에서 토크는 회전자와 고정자에 있는 전하의 인력 또는 반발력에 의해 생성된다.
정전기 발전기는 전하를 축적하여 전기를 생성한다. 초기 유형은 마찰 기계였으며, 이후에는 정전 유도에 의해 작동하는 유도 기계였다. 반데그라프 발전기는 오늘날에도 연구에 사용되는 정전기 발전기이다.
9. 동극 기계 (Homopolar machines)
동극 기계는 브러시를 통해 회전하는 바퀴에 전류가 공급되는 직류 기계이다. 바퀴는 자기장에 삽입되고, 전류가 자기장을 통과하여 바퀴의 가장자리에서 중심부로 이동하면서 토크가 생성된다.
10. 전기 기계 시스템 (Electric machine systems)
오늘날 전기 기계의 최적화 또는 실용적인 작동을 위해 전기 기계 시스템은 전자 제어 장치로 보완된다.
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