직류기의 손실과 효율

직류기에 넣은 에너지가 100%라면, 전부 유용한 일로 바뀌지 않는다.

①일부는 열로, 일부는 소리로, 일부는 마찰로 사라진다

②이것이 '손실'이고, 손실이 작을수록 효율이 높다

③η(효율) = 출력 / 입력 × 100%

④손실의 종류를 알아야 효율을 계산할 수 있다!

①동손 (Copper Loss): 전선 저항에서 열 발생 → Ia²·Ra

②철손 (Iron Loss): 자성체에서 자기 에너지 손실 → 히스테리시스+와전류

③기계손 (Mechanical Loss): 축수 마찰 + 공기 저항(풍손)

④동손만 부하에 따라 변하고, 철손·기계손은 거의 일정!

에너지 흐름(상단)과 손실 바(중간)를 관찰하자:

①동손(빨강): 부하↑ → 급격히 증가 (전류의 제곱에 비례!)

②철손+기계손(주황): 부하가 변해도 거의 일정

③이것이 '가변손'과 '고정손'의 핵심 차이

④부하율 50%일 때와 100%일 때 동손을 비교해보자 → 4배 차이!

하단 효율 곡선을 보면:

①부하율 0% → 효율 ≈ 0% (출력 없이 고정손만 발생)

②부하율 증가 → 효율 급상승 (출력 > 고정손)

③어느 지점에서 최대효율 도달! (초록색 점)

④그 이후 → 효율이 서서히 감소 (동손이 점점 커지니까)

⑤최대효율점 = 고정손과 가변손이 같아지는 부하율!

수학적으로 증명할 수 있지만, 직관적으로:

①효율 = 출력/(출력+고정손+가변손)

②고정손은 못 줄이고, 가변손은 부하와 함께 증가

③출력 대비 총 손실의 비율이 가장 작은 지점 = 균형점

④그 균형점이 바로 고정손 = 가변손인 곳!

자성체(철심)가 교번 자화될 때 분자 자석이 방향을 바꾸면서 열이 발생.

①Ph ∝ f · Bm^1.6 (스타인메츠 공식)

②f: 주파수(속도에 비례), Bm: 최대 자속밀도

③줄이는 방법: 히스테리시스 곡선이 좁은 재료 사용 (규소강판)

자속 변화가 철심에 유도 전류(와전류)를 만들어 열 발생.

①Pe ∝ f² · Bm² · t²

②t: 철판 두께 — 두꺼울수록 손실 큼!

③줄이는 방법: 얇은 규소강판을 적층하여 사용

④적층하면 와전류 경로가 끊겨서 전류↓ → 손실↓

히스테리시스손

와전류손

실제로 효율을 측정할 때 직접법(입력·출력 다 재기)은 어렵다.

①규약효율 = 손실만 측정해서 계산하는 간접법

②발전기: η = 출력 / (출력 + 손실) × 100%

③전동기: η = (입력 − 손실) / 입력 × 100%

④시험에서 '규약효율' 문제 출제 포인트!

발전기 규약효율

전동기 규약효율

①동손 = Ia²Ra (가변손, 부하² 비례)

②철손 = 히스테리시스(∝f·Bm^1.6) + 와전류(∝f²·Bm²·t²)

③기계손 = 마찰손 + 풍손 (고정손)

④최대효율 조건: 고정손(Pi) = 가변손(m²Pc) — 가장 중요!

⑤와전류 손실 줄이기: 규소강판을 얇게 적층 (t↓ → Pe↓)

⑥규약효율: 발전기=출력/(출력+손실), 전동기=(입력−손실)/입력

①[기출유형] 정격출력 10kW, 전부하 동손 600W, 철손+기계손 600W일 때 최대효율 부하율은? (답: m = √(600/600) = 1 → 100%)

②[기출유형] 와전류 손실을 줄이는 방법은? (답: 규소강판을 얇게 적층 — t↓ → Pe ∝ t² ↓)

③[기출유형] 직류전동기의 규약효율을 구하시오. 입력 11kW, 동손 500W, 철손 300W, 기계손 200W (답: η = (11000−1000)/11000 × 100 = 90.9%)