3.4 동기기의 특성 실험

동기기 동작원리

동기기에서도 기계적 파라미터값을 측정하기 위한 실험을 실행합니다. 동기기를 앞에다 갖다놓고 그 동기기의 동기 임피던스를 구하라고 하면 어디서부터 시작을 하여야할까요? 기본적으로 생각할 수 있는 것은 저항을 측정하는 것을 생각할 수 있겠습니다. 리액턴스는 어떻게 측정을 할까요. 실험조건은 어떻게 하며 어떠한 순서로 무엇을 측정할까요?

전압변동률 등을 측정할 때 실제 상황에서 무부하 전압과 전 부하 전압을 측정하여 구하는 방법도 있지만, 동기 임피던스의 값을 알면 운전 조건만 참고하여 전압 변동률의 값을 구할 수 있습니다. 파라미터 값을 구하기 위하여 실제 환경에서 경제적인 손실을 감수해 가면서 실험을 할 필요가 없다는 말입니다. 동기 임피던스를 구하는 법을 동기 임피던스 법이라고 하며 일련의 실험 과정을 거쳐서 원하는 동기 임피던스의 값을 계산할 수 있습니다. 그 순서는 개방회로시험, 단락회로시험의 시험값을 가지고 진행합니다.

그림 3.14 동기임피던스법 결선도

개방 회로 시험

개방회로시험은 회로를 개방한 상태에서 진행하는 시험입니다. 시험조건은 회전자를 동기속도로 운전하는 상황에서 실행됩니다. 결과적으로 개방회로에서의 포화곡선을 얻는 것이 목적입니다. 전기자 권선의 출력 단자 전압은 개방이 되어 있습니다. 계자전류의 값을 증가하면서 개방된 단자전압의 값을 전압계를 사용하여 읽습니다. 이때 얻어진 전압값은 선간 전압값이므로 이를 ${\sqrt {3}}$으로 나누어주면 한 상당의 전압값을 구할 수 있습니다.

단락 회로 시험

동기 임피던의 계산 방법을 보여줍니다.

그림 3.15 동기임피던스법 실험 결과

이제는 단자전압을 단락 하여 회로를 연결한 상태에서 전류계로 이 값을 측정합니다. 역시 시험조건은 회전자는 동기속도로 운전을 한다는 것입니다. 이 계자 전류값을 점차로 증가하여 최대 안전 전류값까지 증가하면서 측정합니다. 이때에는 물론 오랜 시간 시험운전을 하여 안전 사고가 발생하지 않도록 주의하여야 하겠습니다.

이 시험으로 계자전류에 대한 단락회로전류의 값을 얻을 수 있습니다. 이렇게 얻어진 특성곡선을 단락 회로 특성이라고 합니다. 그림 3.7 은 개방 및 단락 회로시험의 결선도를, 그림 3.15 은 측정 시험 결과입니다.

계자를 동기속도로 운전하여 개방시험, 단락시험에서 계자전류에 해당하는 전류와 단자전압을 구하였습니다. 계자 전류를 일정하게 하고 동기속도로 운전하였으므로 동일한 계자전류에 대하여 동일한 유기전압이 발생한다고 가정할 수 있습니다. 외부의 전원 소스가 없는 상태에서 유기전압만이 유일한 전원이면 이때 측정된 단자전압과 전기자전류의 비가 바로 동기 임피던스의 값이 됩니다.

단자 전압의 포화 특성으로 시험에서 측정한 동기 임피던스의 값은 일정하지 않습니다. 이러한 경우 정격의 전기자 전류가 얻어지는 계자전류에 대하여 동기 임피던스를 산정하여 사용하게되며 식 (3.21) 와 같습니다.

$Z_{s}={\frac {V_{oc}}{I_{sc}}}$ [$P\cdot U$](3.21)

이제 동기 임피던스값이 구해졌으므로 전기자 저항값을 알면 동기 리액턴스값을 알 수 있습니다. 전기자 저항값은 계자전류가 흐르지 않는 상태에서 외부 두 단자간의 저항을 측정하면 됩니다. 이 저항값은 두 상의 저항을 나타내므로 상당 저항은 이것의 반 값을 취하면 됩니다. 실제적인 저항값은 이렇게 구해진 값보다 1.2에서 1.5 배 큰 값을 취합니다. 이는 슬롯의 모양등 여러 가지 변수의 영향으로 실제 측정된 저항값보다는 큰값으로 영향을 미치기 때문입니다.

• 단락비($K_{s}\,$)

$K_{s}={\frac {1}{Z_{s}}}$

단락비가 큰 기계의 특징으로는

1. 동기 임피던스가 작으며, 전압강하와 전압변동률이 작습니다.

2. 전기자 반작용이 작고, 안정도가 향상되며, 출력이 증가합니다.

3. 과부하 내량의 증대하여 선로의 충전용량의 증가합니다.

4. 철손의 증가하여 효율이 떨어집니다. 철이 많이 사용되어 철기계라고 합니다.

5. 공극이 크며 기계의 형태, 중량이 커집니다.