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전기기기
전기기기(電氣機器, electric machinery)는 전기를 일으키거나 전기를 이용하는 기계를 통틀어 이르는 말이다. 전기기계(電氣機械)라고도 한다.
목차
개요
전기기기 또는 전기기계는 전기공학에서 전기 모터, 발전기 등과 같이 전자기력을 사용하는 기계의 총칭이다. 이 기계들은 전기기계식 에너지 변환기다. 전기 모터는 전기를 기계적 동력으로 변환하고 발전기는 기계적 동력을 전기로 변환한다. 기계의 움직이는 부분은 회전(회전 기계) 또는 선형(선형 기계)일 수 있다. 변압기는 때때로 "고정 전기기계"라고 불리지만, 움직이는 부품이 없기 때문에 일반적으로 기계로 간주되지 않고 전기기계와 밀접하게 관련된 전기 장치로 간주된다.
교류 발전기와 유도 발전기 형태의 전기기계는 지구상 전체 전력의 약 95%를 생산하며(2020년대 초 기준), 전기 모터 형태의 전기기계는 생산된 전체 전력의 약 60%를 소비한다. 전기기계는 19세기 중반부터 개발되었으며 그 이후로 인프라의 유비쿼터스 구성 요소가 되었다. 보다 효율적인 전기기계 기술을 개발하는 것은 모든 지구 보존, 녹색 에너지, 대체 에너지 전략에 매우 중요하다.[1]
상세
전기기기는 전기에너지를 입력받아 기계에너지로 변환하는 전동기, 기계에너지를 입력받아 전기에너지로 변환하는 발전기 및 교류전압의 변환을 하는 변압기 등을 통칭하여 말한다. 전기기기의 성능 개선 및 새로운 형태의 전기기기 구조에 대한 기술을 연구하는 전기공학(電氣工學, electrical engineering)의 한 분야이다.
발전기는 수력, 화력, 원자력 등을 이용하여 기계에너지를 공급하여 전기에너지를 발생하는 전기기기로 주로 회전하는 형태의 구조를 가지고 있다. 자기장 내에 도체를 배치하고 도체를 외부에서 가해지는 기계에너지로 움직이게 하면 전압이 발생하는 전자기유도 작용(電磁氣誘導作用) 원리에 기초를 두고 있다. 발생하는 전압의 크기는 자기장의 세기와 도체의 길이 및 자기장과 도체의 상대적 속도에 비례하며, 발생하는 전압의 극성은 플레밍의 오른손 법칙에 의해 알 수 있다. 발전기를 구성하는 데는 자기장을 만들기 위한 강력한 자석이 필요한데, 대부분의 대용량 발전기에서는 전자석을 사용한다.
전동기는 발전기와 반대로 전기에너지를 공급받아 기계에너지로 변환하는 전기기기로 우리들의 실생활에서 많이 볼 수 있으며 일명 모터라 부르기도 한다. 전동기는 자기장 내에 움직일 수 있는 도체를 배치하고 이 도체에 전류를 흘리면 도체가 힘을 받게 되는 플레밍의 오른손 법칙을 이용한 것이다. 전동기는 오늘날 기계에너지를 얻는 중요한 장치로 널리 사용되고 있다.
대용량의 전동기는 자기장을 전자석을 이용하여 만들고, 소형 전동기의 경우에는 영구자석을 이용하여 만든다. 기술이 발전하면서 영구자석의 세기가 점점 더 강한 물질이 개발하게 되었고, 이에 따라 영구자석을 이용한 전동기의 용량도 점차 증가하여 왔다. 가정에서는 면도기, 믹서 등과 같이 소형 가전제품부터 세탁기와 같은 대형 가전제품에도 사용되고 있으며, 엘리베이터, 에스컬레이터의 구동장치, 전철과 전기자동차 등 전동기는 우리 실생활에 매우 많이 사용되고 있다.
전동기의 원리는 1800년대에 나왔으나, 오늘날에도 전동기는 산업체에서 기계적인 에너지를 필요로 하는 곳과 생산라인의 자동화에 필수적으로 들어가는 장치로 지속적인 발전을 하고 있다.
변압기는 교류전압의 크기를 높이거나 낮출 수 있는 장치로 아주 소형으로부터 수백 톤(ton)에 이르는 대형 변압기까지 아주 다양하다. 코일에 흐르는 전류가 변화하면 그에 따라 자속이 변화하므로 전자유도에 의해서 코일 내에 유기 기전력이 발생한다. 이것이 변압기의 원리로 자기유도(self-induction, 自己誘導)라 한다. 발전소에서 전압을 높은 전압으로 승압 시켜 장거리를 효율적으로 전송하고, 수용가 근처에서 다시 낮은 전압으로 낮추는 역할로 전력망에 널리 사용되고 있다.[2]
역사와 발전단계
1831년, 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791~1867)에 의한 두 개의 영구자석 사이에 구리판을 닿지 않게 통과시키고 이 구리판을 회전시키면 전류가 발생한다는 것을 입증하는 "Faraday Disc" 발명이 발전기의 시발점이라 볼 수 있다.
최초의 실용적인 발전기는 1860년대 후반 프랑스의 공학자이자 발명가인 제노브 테오필 그람(Zénobe Théophile Gramme, 1826~1901)이 제작한 그람 발전기이다. 지멘스는 1866년에 처음으로 전자석을 사용한 대형 발전기를 완성시켰다. 니콜라 테슬라(Nikola Tesla, 1856~1943)는 1891년에 교류발전기를 개발하여 상업화하였으며, 이로 인해 산업 발전에 기여를 하였다.
최초의 직류전동기는 1832년 윌리엄 스터전(William Sturgeon, 1783~1850)에 의해 발명되었으며, 1837년 토마스 대븐포트(Thomas Davenport, 1802~1851)에 의해 정류자를 가진 직류전동기 형태로 상용화되었다. 이 모터는 분당 600 회전을 하는 성능을 가졌으며, 공작기계와 인쇄기 등에 사용되었다.
1888년에 니콜라 테슬러(Nikola Tesla)는 동기전동기(Synchronous Motor)와 릴럭턴스전동기(Reluctance Motor), 권선형 유도전동기(Induction Motor) 등의 교류전동기를 개발하였다. 이후 1895년까지 3상 교류전원의 개발과 분포 권선의 개발, 농형 유도전동기의 개발이 이루어지며 발전하게 되었고 드디어 1896년에 3상 유도전동기가 상업적으로 사용되기 시작하였다.
1920년대부터 1970년대에 거쳐 이후 전동기는 소형 경량화, 대용량화 및 효율의 향상 등에서 꾸준한 발전을 거듭해오고 있다. 그 후 전력용 반도체 소자 및 마이크로프로세서의 발달에 따라 전동기는 자동화 설비, 로봇, 생활가전제품 등의 다양한 곳에 활용되기 시작하면서 다양한 형태의 전동기들이 개발되어 사용되고 있다. 특히 영구자석을 이용한 형태의 영구자석형 동기 모터, 브러시가 없는 구조로 직류전동기 원리를 가지는 브러시리스 DC 모터(Brushless DC Motor) 등의 전동기들이 개발되어 전동기의 소형 경량화 및 고효율화를 개선시켜 나가고 있다.[2]
전기기기의 기초
전기기기는 직류발전/전동기, 동기발전/전동기, 변압기, 유도기, 기타 특수기 총 5파트로 구성이 되어 있다. 추천 기본서는 sen, guru, sarma 등이 있다.
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
직류발전기
직류를 생성하는 발전기(Generator)이다. 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.
- 극성이 같아야 한다.
- 정격 전압이 같아야 한다. 전압이 다르면 다른 발전기로 무효 순환 전류가 흐른다.
- 외부특성이 수하특성이어야 한다. 직권 발전기, 복권 발전기는 수하특성을 가지지 못하므로, 균압모선을 설치한다.
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 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[3]
동기기
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.
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.[3]
변압기
전압을 바꾸는 기기. 코일의 권수(감는 수)에 비례하며, 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 소손된다.
- 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.[3]
유도기
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.
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. 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.[3]
정류기
크게 교류를 직류로 바꾸는 컨버터와 직류를 교류로 바꾸는 인버터가 있다. 여러가지 반도체 소자들도 정류기에 포함된다.[3]
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 (20문제 중 8~14문제)
- 기술직 7급 공무원 시험 - 전기기기 (전기직)
- 기술직 9급 공무원 시험 - 전기기기 (전기직)
- 논술형 시험
- 기술직 5급 공무원 시험 - 전기기기 (전기직 필수과목)
- 기술지도사 시험 - 전기기기 (기술혁신분야 선택과목)
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 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.[3]
주요 연구영역
전기기기 설계
전동기는 17세기부터 개발되어 수많은 발전을 거듭해왔다. 최근 들어서 전동기의 설계는 새로이 등장하게 된 영구자석형 전동기에 대한 연구가 주류를 이루고 있다. 영구자석형 동기전동기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)는 직류전동기의 브러시와 정류자에 의한 기계적 정류작용을 반도체의 스위칭작용으로 대체한 구조의 전동기를 말한다. 희토류 물질을 사용하게 되면서 영구자석의 세기가 강해지면서 소형의 사이즈에 강한 토크(torque)를 발생할 수 있는 전동기 들이 개발되고 있다. 전동기 설계 분야에서는 전동기 내 자계의 분포를 효율적으로 하여 전동기의 효율을 높이는 연구에 자계를 해석하는 방법인 유한요소법(FEM), 경계요소법(BEM) 등을 사용하고 있다.
자계를 해석하는 유한요소법(FEM), 경계요소법(BEM) 등은 변압기 및 발전기 내에서의 자계분포 해석에도 활용하고 있다. 또한 반도체의 자동화 설비 등에 필요한 직선운동의 구조에 적합한 리니어 모터(Linear Motor)의 수요가 증가하면서 리니어 모터(Linear Motor)에 대한 연구 및 개발도 연구 분야 중 하나이다.
오늘날 대부분의 전동기는 제어를 필요로 하며, 이를 위해서는 속도 및 위치를 계측하는 센서 등의 사용이 필수적이다. 따라서 전동기에 센서를 부착한 센서 일체형 전동기도 널리 사용되고 있다. 최근에는 여기에 전동기를 구동하는 전력회로와 제어회로가 추가된 드라이버 컨트롤러 일체형 전동기도 개발되어 상용화되고 있다. 발전기의 대용량화, 고효율성, 고신뢰성에 대한 연구와 변압기의 대용량화 및 고압에 견디는 절연 기술 등에 대한 연구가 주요 연구 분야 중 하나이다.
전기기기의 제어 전력전자 및 마이크로프로세서 분야의 기술이 발달하면서 전기기기의 제어방법에 대한 큰 변화가 일어나게 되었다. 전동기는 직류전동기가 제어 성능의 장점으로 속도를 가변속 할 수 있는 응용 분야에 널리 사용되었으나, 기계적인 정류 기구가 존재하기 때문에 유지 보수를 하는 데 불편함이 있었다. 교류전동기는 직류전동기에 비하여 구조가 간단하고 견고하기 때문에 유지 보수 측면에서 장점이 있었으나 제어하기가 어려운 단점을 가지고 있었다. 직류를 다양한 주파수와 전압 크기를 가지는 교류전압으로 변환할 수 있는 인버터의 등장은 기존의 방식으로는 정밀하게 제어하기 힘들었던 교류전동기의 위치 및 속도제어를 가능하게 하였다. 이러한 전력전자 분야의 발전은 브러시리스 DC 모터 및 영구자석형 동기 모터가 널리 사용될 수 있는 기반이 되었다.
브러시리스 DC 모터는 주로 속도제어가 필요한 전기제품들에 사용되고 있다. 과거에는 홀센서가 내장된 형태가 사용되었으나, 홀센서가 없어도 전동기의 권선에서 역기전력을 검출하여 회전하고 있는 영구자석의 위치를 파악할 수 있는 방법이 개발되어 센서리스 방식의 속도제어 방식이 널리 상용화되어 사용되고 있다. 마이크로프로세서의 발달은 복잡한 제어 알고리즘을 프로그램으로 구현할 수 있는 방법을 제공하였다. 영구자석형 동기 모터는 자동화 설비 및 로봇 등에 정밀한 위치제어를 필요로 하는 용도로 널리 사용되고 있으며, 효율적으로 제어하는 다양한 알고리즘에 대한 개발이 연구 분야 중 하나이다.[2]
동영상
각주
참고자료
같이 보기
