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전기기사 전기기기 · 특수유도기

Special Induction Machines

유도기는 슬립에 따라 전동기(0 < s < 1), 발전기(s < 0), 제동기(s > 1)로 동작이 갈리고, 이 원리를 다른 쓰임에 맞춘 것이 특수 유도기다. 유도발전기는 원동기로 동기속도보다 빨리 돌려 전력을 내지만 여자 전류를 계통에서 받아야 하고, 유도전압조정기는 회전자를 돌려 놓는 각도로 전압을 연속해서 바꾼다. 회전 기계를 직선으로 펼친 리니어 유도전동기는 동기속도가 v_s = 2τf [m/s] 로 바뀌므로, 회전형의 120f/P 와 짝지어 두면 헷갈리지 않아요. 속도 슬라이더를 움직이면 토크-속도 곡선 위의 점이 제동 · 전동기 · 발전기 영역을 차례로 지나가요.

유도기의 세 동작 영역

유도기는 슬립의 범위에 따라 전동기, 발전기, 제동기의 세 가지로 동작한다. 전동기 영역 말고도 나머지 두 영역이 시험에 자주 나온다. 슬라이더로 속도를 바꾸며 동작 영역이 어떻게 넘어가는지 봐요.
105 %
💡 슬립에 따른 동작
0 < s < 1(0 < N < N_s)이면 전동기로, 전기 에너지를 기계 에너지로 바꾼다.
①s < 0(N > N_s)이면 발전기로, 기계 에너지를 전기 에너지로 바꾼다.
②s > 1(N < 0)이면 제동기로, 회전자가 자기장과 반대로 돌며 전기와 기계 에너지를 모두 열로 써요.

유도발전기

바깥 원동기(풍력 터빈 등)로 회전자를 동기속도보다 빨리 돌리면 슬립이 음수가 되어 유도기가 발전기로 동작한다. 이때 전력은 회전자에서 고정자로 넘어가 전원 쪽으로 돌아가요.
유도발전기
유도발전기: N > Ns → s < 0
회전자가 동기속도를 넘으면 발전기로 동작한다
⚡ 유도발전기의 특징
장점: 구조가 간단하고(농형도 가능), 동기를 맞출 필요가 없어 풍력 발전에 알맞다.
①단점: 지상 무효전력을 먹어 역률이 나쁘고, 혼자서는 전압을 세우지 못한다.
②그래서 전원 계통에 이어 여자 전류를 받아야 한다.
③혼자 돌릴 때는 콘덴서를 병렬로 달아 자기 여자로 전압을 세울 수 있어요(자기 여자 유도발전기).
전력 관계
P기계입력 = P전기출력 + P손실
원동기 → 유도발전기 → 전원 계통

유도전압조정기

권선형 유도전동기의 회전자를 돌지 못하게 붙잡아 두고 고정자와 회전자 사이의 각도를 바꾸면, 2차에 유도되는 전압이 각도에 따라 달라진다. 이 전압을 1차 전압에 더해 출력 전압을 연속으로 조정하는 기기가 유도전압조정기예요.
전압 조정
V출력 = V1차 + V2차(θ)
회전자 각도 θ 에 따라 출력 전압을 연속으로 조정한다
🔍 유도전압조정기의 특징
단상 유도전압조정기는 교번 자계를 이용해 전압의 크기만 바꾸고, 입력과 출력 전압 사이에 위상차가 없다.
①단상형은 직렬 권선의 누설 리액턴스에 의한 전압 강하를 막으려고 단락 권선을 단다.
②삼상 유도전압조정기는 회전 자계를 이용하며, 출력 전압의 크기와 함께 위상도 바뀐다.
③탭 절환 변압기와 달리 단계 없이 연속으로 조정되는 것이 장점이고, 변압기보다 효율이 낮고 크기가 크다는 것이 단점이에요.

그 밖의 특수 유도기

유도동기전동기는 권선형 유도전동기처럼 기동한 뒤, 동기속도 가까이에서 회전자에 직류를 흘려 동기전동기로 운전하는 전동기이다. 리니어 유도전동기는 고정자와 회전자를 직선으로 펼친 구조로, 자기부상열차와 공장 컨베이어 등에 써요.
리니어 유도전동기
리니어 유도전동기: vs = 2τf
vs: 동기속도 [m/s], τ: 극 간격(극피치) [m], f: 주파수 [Hz]
⚡ 리니어 유도전동기
회전형의 원둘레를 직선으로 펼친 구조이다.
①동기속도의 단위가 rpm 이 아니라 m/s 이다.
②자기부상열차, 전자기 발사 장치에 쓴다.
③원리는 같아서 이동 자기장 → 유도 전류 → 추력의 순서로 움직여요.

시험 정리

유도발전기
유도발전기: s < 0 (N > Ns)
바깥 원동기로 동기속도보다 빨리 돌린다
유도전압조정기
유도전압조정기: Vout = V1 + V2(θ)
단계 없는 연속 전압 조정
리니어 유도전동기
리니어 유도전동기: vs = 2τf
직선 운동용(m/s 단위)
📝 시험 포인트
①유도발전기는 전원 계통에서 여자 전류를 받아야 하므로 혼자서는 운전할 수 없다.
②유도발전기의 슬립은 음수(s < 0)이다.
③콘덴서를 병렬로 달면 자기 여자로 혼자 운전할 수 있어요.
④유도전압조정기는 회전자를 붙잡아 두고 각도를 바꿔 전압을 연속으로 바꾼다. 단상형은 위상차가 없고, 삼상형은 위상차가 생긴다.
⑤리니어 유도전동기 동기속도 v_s = 2τf 의 τ 는 극 간격 [m] 이고, 회전형의 120f/P 와 짝지어 기억한다.
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 유도발전기의 슬립은? (답: s < 0. 회전자가 동기속도보다 빠르다)
②[기출유형] 유도발전기가 혼자서 운전할 수 없는 이유는? (답: 여자 전류를 전원 계통에서 받아야 하므로)
③[기출유형] 리니어 유도전동기의 동기속도 공식은? (답: vs = 2τf, τ = 극 간격 [m])
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