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전기기사 전기기기 · 직류발전기의 종류와 특성

여자 방식에 따른 분류와 외부특성곡선

직류 발전기의 종류는 계자 권선에 흘릴 여자 전류를 어디서 가져오느냐로 갈린다. 타여자는 따로 둔 외부 전원에서 받아 자속이 일정하고, 분권 · 직권 · 복권 같은 자여자 발전기는 자기가 만든 전기로 여자하므로 부하에 따라 자속까지 바뀐다. 그래서 부하 전류를 늘릴 때 단자 전압이 어떻게 변하는지, 곧 외부 특성 곡선의 모양이 종류마다 다르고 시험에서도 이 차이를 자주 물어요. 네 버튼으로 회로도와 밝게 그려지는 곡선이 바뀌고, 부하 전류 슬라이더를 움직이면 곡선 위의 점과 오른쪽 위 V 값이 따라 움직여요.

여자 방식에 따른 분류

🤔 계자 권선의 전류를 어디서 받느냐
직류 발전기가 자속을 만들려면 계자 권선에 전류(여자 전류)를 흘려야 한다.
①타여자: 따로 둔 외부 전원에서 여자 전류를 받는다.
②자여자: 자기가 발전한 전기로 여자 전류를 댄다.
③자여자는 계자 권선을 잇는 방식에 따라 다시 분권 · 직권 · 복권으로 나뉘어요.
🍕 네 가지를 한눈에
여자 전류의 출처와 이음새만 보면 성질이 거의 정해진다.
①타여자: 외부 전원이라 부하와 상관없이 자속이 일정하다.
②분권: 계자 권선이 전기자와 병렬이라 단자 전압이 떨어지면 여자 전류도 줄어든다.
③직권: 계자 권선이 부하와 직렬이라 부하 전류가 곧 여자 전류다.
④복권: 분권 권선과 직권 권선을 함께 두어, 직권 몫이 부하에 따른 전압 강하를 메워요.

타여자와 분권

부하 전류 IL20 A
🔋 타여자 발전기: 가장 단순하고 안정적
계자 전류가 외부 전원에서 오므로 부하가 바뀌어도 자속 Φ 가 일정하다.
①V = E − IaRa 에서 부하가 늘면 Ia 가 커져 전압 강하만큼 V 가 조금 줄어든다.
②그래서 곡선이 거의 수평에 가까운 직선이다.
③전압을 다루기 쉬운 대신 외부 전원이 따로 있어야 해요.
🔌 분권 발전기: 자기 전압으로 여자
계자 권선이 전기자와 병렬(shunt)로 이어진다.
①부하가 늘면 Ia 가 커져 V 가 줄고, 여자 전류 V/Rf 도 줄어 Φ 와 E 가 함께 떨어진다.
②이 되먹임 때문에 타여자보다 전압이 더 많이 처진다.
③그래서 곡선이 타여자보다 아래로 휜다.
④부하가 지나치게 크면 전압이 갑자기 무너질 수 있어 과부하에 주의해야 해요.
V = E − Ia·Ra (Ia = IL + If)
분권: 전기자 전류 = 부하 전류 + 여자 전류

직권

⚡ 직권 발전기: 무부하에서는 전압이 없다
계자 권선이 부하와 직렬(series)로 이어진다.
①부하 전류가 그대로 여자 전류다(IL = If = Ia).
②무부하(IL = 0)이면 여자 전류도 0 이라 잔류 자기만큼의 아주 작은 전압밖에 나오지 않는다.
③부하가 늘면 여자 전류와 Φ 가 커져 E 와 V 가 처음에는 오른다.
④어느 지점부터는 자속이 포화하고 Ia(Ra + Rs) 강하가 커져 V 가 다시 떨어진다.
⑤그래서 곡선이 0 근처에서 올라갔다가 꺾여 내려오는 모양이에요.
V = E − Ia·(Ra + Rs) (Ia = IL)
직권: 전기자 전류 = 부하 전류 = 여자 전류
⚠️ 직권 발전기의 쓰임
①전압이 부하에 따라 크게 바뀌므로 일반 전원으로는 쓰지 않는다
②대신 선로 전압 강하를 메우는 승압기(부스터) 같은 특수 용도에 쓴다
③무부하에서 단자 전압이 거의 0 이라는 점이 시험에 자주 나와요

복권

🔗 복권 = 분권 + 직권
분권의 안정된 여자에 직권의 부하 보상을 더한 방식이다.
①분권 권선이 기본 자속을 대 준다.
②직권 권선은 부하 전류에 비례해 자속을 더한다.
③부하가 늘면 직권 몫이 자속을 키워 전압 강하를 메운다.
④그래서 곡선이 거의 수평이고 전압이 고르게 유지돼요.
📊 복권의 세 갈래
직권 권선이 얼마나 센지에 따라 셋으로 나눈다.
①과복권: 직권 몫이 커서 부하가 늘면 전압이 오히려 오른다.
②평복권: 정격 부하에서 무부하와 같은 전압이 되도록 맞춘 것이다.
③부족 복권: 직권 몫이 모자라 부하가 늘면 전압이 조금 떨어져요.
평복권: 무부하 전압 ≈ 정격 부하 전압
부하가 바뀌어도 전압이 고르게 유지되도록 맞춘 복권

정리

V = E − Ia·Ra
모든 직류 발전기의 기본 전압 방정식(직권은 Ra 에 직권 권선 저항을 더한다)
📝 시험 포인트
①타여자: 외부 전원으로 여자해 전압이 안정적이고 V = E − IaRa
②분권: 병렬 여자라 If = V/Rf, Ia = IL + If
③직권: 직렬 여자라 Ia = IL = If 이고 무부하 전압은 거의 0
④복권: 분권 + 직권이며 평복권이 전압을 가장 고르게 유지한다
⑤전압 변동률은 (V₀ − Vn)/Vn × 100%(V₀: 무부하 전압, Vn: 정격 전압)로 셈해요
분권: Ia = IL + If
전기자 전류 = 부하 전류 + 여자 전류
직권: Ia = IL = If
세 전류가 모두 같다
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