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전기기사 전기기기 · 전기자 반작용

Armature Reaction

동기 발전기에 부하를 걸면 전기자 전류가 자기 자속 Φa 를 만들고, 이 자속이 계자 자속 Φf 에 겹쳐 공극 자속을 바꾸는데 이것이 전기자 반작용이다. 전류가 기전력보다 뒤지는 지상 부하에서는 Φa 가 Φf 를 거슬러 감자 작용, 앞서는 진상 부하에서는 Φf 를 거들어 증자 작용, 역률 1 에서는 옆으로 비틀어 교차 자화 작용이 일어난다. 이 자기적 효과를 동기 리액턴스 Xs 에 걸리는 전압 강하로 바꿔 놓으면, 페이저도와 등가 회로만으로 발전기를 셈할 수 있다. 세 역률 버튼과 부하율 슬라이더를 움직이면 위 회전자 그림에서 Φa 점선 화살표의 방향 · 길이가, 아래 페이저도에서 Ia 의 위상이 함께 바뀐다.

전기자 반작용이란

⚙️ 부하를 걸면 자석의 세기가 바뀐다
무부하에서는 계자 자속 Φf 만 있다.
①부하를 이으면 전기자에 전류 Ia 가 흐르고, 이 전류가 자속 Φa 를 만든다.
②Φa 가 Φf 에 겹쳐 공극 자속을 바꾸는 현상이 전기자 반작용이다.
③Φa 가 Φf 와 어느 방향으로 겹치느냐는 부하의 역률로 정해진다.

역률에 따른 전기자 반작용

60%
🔍 세 경우 견주기
저항 부하: Ia 가 E 와 같은 위상이라 Φa 가 Φf 에 수직이다.
①주자속을 줄이지도 늘리지도 않고 자속 분포를 한쪽으로 비튼다(교차 자화).
②철심 포화 때문에 실제로는 감자 효과가 조금 생긴다.

감자 · 증자 · 교차 자화

지상 역률 → 감자
지상 역률(cosθ < 1, 유도성) → 감자 작용
Φa 가 Φf 를 약하게 해 단자 전압이 내려간다. 발전기 운전에서 가장 흔하다
진상 역률 → 증자
진상 역률(cosθ < 1, 용량성) → 증자 작용
Φa 가 Φf 를 세게 해 단자 전압이 오른다. 콘덴서 부하나 가벼운 부하의 긴 송전선에서 생긴다
역률 1 → 교차 자화
역률 1(cosθ = 1, 저항성) → 교차 자화 작용
Φa 가 Φf 에 수직이라 자속 분포가 한쪽으로 쏠린다(편자 작용)

등가 리액턴스와 동기 임피던스

동기 리액턴스
Xs = Xa + Xl
동기 리액턴스 = 전기자 반작용 리액턴스 + 누설 리액턴스
동기 임피던스
Zs = Ra + jXs
Ra 는 전기자 저항이고 보통 Xs ≫ Ra 다
💡 리액턴스로 바꾸는 까닭
자속이 바뀌어 기전력이 바뀐다는 복잡한 자기 현상을 그대로 셈하기는 어렵다.
①그래서 이 효과를 전류에 비례하는 전압 강하 jXs·Ia 로 바꿔 놓는다.
②그러면 페이저도와 등가 회로만으로 발전기를 셈할 수 있다.

시험 정리

지상 → 감자
유도성 부하
전압 ↓
진상 → 증자
용량성 부하
전압 ↑
역률 1 → 교차 자화
저항 부하
자속 분포가 비틀림
동기 리액턴스
Xs = Xa + Xl
전기자 반작용 리액턴스 + 누설 리액턴스
📝 시험 포인트
①지상 역률(유도성)은 감자, 진상 역률(용량성)은 증자라는 짝이 핵심이다
②순수 저항 부하(역률 1)는 교차 자화(편자 작용)다
③감자 작용은 여자 전류를 늘려 Φf 를 키워 메운다
④동기 리액턴스 Xs = Xa + Xl 에서 보통 Xa 가 Xl 보다 훨씬 크다
⑤전기자 반작용은 부하 전류 Ia 가 클수록 세진다
📝 대표 기출 유형
①[감자] 동기 발전기에 유도성 부하를 걸었을 때 전기자 반작용 → 감자 작용(주자속 감소)
②[증자] 동기 발전기의 단자 전압이 무부하 때보다 높아지는 경우 → 진상 역률(용량성) 부하의 증자 작용
③[동기 리액턴스] Xs 의 구성 → Xs = Xa(전기자 반작용 리액턴스) + Xl(누설 리액턴스)이다
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