MC-B4 · 직류발전기 특성

직류발전기의 자기여자와 외부특성

자기여자 발전기는 외부 전원 없이 스스로 전압을 세운다. 잔류자기에서 시작한 되먹임이 어디서 멈추는지 보고, 계자저항을 바꾸며 전압이 서는 조건과 서지 않는 조건을 직접 가른다.

전압은 어디서 멈추고, 언제 아예 서지 않나

잔류자기가 만든 작은 전압이 계자전류를 흘려 자속을 키우고, 그 자속이 전압을 더 키운다. 이 되먹임은 자화곡선과 계자저항선(V = Rf·If)이 만나는 점에서 멈춘다. 계자저항 슬라이더를 올려 보라. 어느 기울기를 넘으면 교점이 사라져 전압이 서지 않는가.

계자저항 RfRf = 380 Ω

슬라이더로 계자저항을 연속으로 바꾼다. 직선과 곡선의 교점 = 확립 전압.

확립된 단자전압

Vt = 60 V

계자저항선이 자화곡선의 초기 기울기보다 가팔라, 둘은 잔류점 부근에서만 만난다. 되먹임이 자라지 못해 전압이 서지 않는다. 이 기울기가 임계 계자저항이다.

안 섬

씨앗은 잔류자기

자극 철심에는 한번 자화된 흔적인 잔류자속이 남는다. 발전기를 돌리면 이 잔류자속이 전기자에 작은 잔류전압을 일으킨다. 분권 계자가 전기자에 병렬로 이어져 있으면 이 전압이 계자권선에 작은 전류를 흘리고, 그 전류가 자속을 키워 전압을 더 올린다. 외부 전원 없이 스스로를 일으키는 양의 되먹임이다. 다만 계자 접속이 잔류자속을 강화하는 방향이어야 하며, 반대면 전압이 오히려 무너진다.

관찰V(If=0) = Vr

자화곡선은 잔류전압에서 출발한다.

되먹임이 멈추는 곳, 임계저항

전압이 오르면 계자전류도 늘지만, 철심이 포화하면서 자화곡선이 휘어 전압이 더는 비례해서 오르지 못한다. 한편 계자저항선 V = Rf·If은 곧은 직선이다. 되먹임은 두 선이 만나는 교점에서 멈춘다. 계자저항을 키워 직선을 세우면 교점이 무릎 아래로 내려가고, 직선이 자화곡선의 초기 기울기보다 가팔라지면 교점이 잔류점뿐이라 전압이 서지 않는다. 이 한계 기울기가 임계 계자저항이다.

고르기V = Rf ?

계자저항선은 계자전류에 비례하는 직선.

빈칸build-up: Rf < ?

전압이 서려면 계자저항이 임계값보다 작아야 한다.

부하를 걸면, 여자 방식별 외부특성

부하전류가 흐르면 단자전압 Vt = E - IaRa로, 전기자 저항 강하와 전기자 반작용만큼 떨어진다. 타여자는 계자가 따로라 이 두 가지로 약간만 처진다. 분권은 단자전압이 떨어지면 자기여자 계자전류도 줄어 자속이 더 빠져, 더 가파르게 처진다. 직권은 부하전류가 곧 계자라 처음엔 전압이 오르다 포화와 반작용으로 꺾인다. 복권은 직권 가지를 더해 분권의 처짐을 메워, 부하에 거의 평탄하거나(평복권) 살짝 올라가게(과복권) 맞출 수 있다.

스스로Vt = E - ?

부하 시 단자전압은 유기전압에서 전기자 강하를 뺀 값.

첫 화면으로 돌아가서

전압이 서지 않은 것은 계자저항선이 자화곡선의 초기 기울기보다 가팔라, 둘이 잔류점에서만 만났을 때였다. 잔류자기가 씨앗이 되어 양의 되먹임을 돌리지만, 그 되먹임은 포화로 휜 자화곡선과 곧은 계자저항선의 교점에서 멈춘다. 계자저항이 임계값보다 작아야 교점이 무릎 위 높은 곳에 생겨 전압이 확립된다. 그렇게 세운 전압은 부하를 걸면 Vt = E - IaRa로, 여자 방식에 따라 타여자는 살짝, 분권은 더, 직권·복권은 저마다 다른 모양으로 변한다. 발전기의 전압은 처음 세우는 일과 부하에서 지키는 일, 둘 다 자화곡선 위에서 읽힌다.

자기여자 발전기: 잔류자기가 만든 잔류전압을 씨앗으로 양의 되먹임이 전압을 세우고, 자화곡선과 계자저항선(V = Rf·If)의 교점에서 멈춘다. 계자저항이 임계값(자화곡선 초기 기울기)보다 작아야 전압이 확립된다. 부하 시 외부특성은 Vt = E - IaRa로, 타여자·분권·직권·복권이 저마다 다른 전압-전류 곡선을 그린다.

B 묶음을 마치며

여기까지가 직류기다. 정류자가 교류를 직류로 뒤집고(B1), 전기자 반작용이 중성축을 밀고(B2), 역기전력이 전동기의 속도와 토크를 정하고(B3), 자기여자가 발전기의 전압을 세웠다(B4). 모두 하나의 자기회로 위에서 도는 한 대의 기계였다. 다음 묶음 C는 회전 자체를 자기장으로 만드는 유도기다. 3상 전류가 어떻게 회전하는 자기장을 빚는지, 그 회전자계에서 시작한다.