전기기기 설계

1장 기초적 지식

1.1 전기기기 2
1.2 전자유도 작용 2
1.3 플레밍의 법칙 3
1.4 전류에 의한 자계 4
1.5 자기회로 4
1.6 공극의 기자력 6
1.7 전기량의 단위 6
1.8 자기회로의 재료 8
1.9 전기회로의 재료 10
1.10 절연재료 12
1.11 전선의 피복 13
1.12 권선의 절연 14
1.13 주문서와 규격 15

2장 직류기의 설계

2.1 직류기의 구조 18
2.2 전기자 권선의 종류 20
2.3 중권 23
2.4 파권 24
2.5 균압선 27
2.6 중파권 권선 27
2.7 BBC 권선 28
2.8 슬롯수와 정류자편수와의 관계 29
2.9 권선의 설계 31
2.10 유도 기전력 33
2.11 전기자 반작용 33
2.12 전기자 직경과 길이 35
2.13 극수의 결정 38
2.14 매극 자속수의 결정 39
2.15 도체수의 결정 방법 39
2.16 전기자 도체의 단면 치수 41
2.17 도체 및 슬롯절연 41
2.18 슬롯의 형태 42
2.19 전기자 코일의 저항 43
2.20 리액턴스 전압 44
2.21 정류자와 브러시 46
2.22 자기회로의 계산 50
2.23 공극의 계산 55
2.24 분권 및 직권계자의 계산 56
2.25 보극의 계산 58
2.26 보상권선의 설계 60
2.27 전기자 반작용에 의한 전압강하 61
2.28 손실계산 64
2.29 온도 상승 한도 67
2.30 온도 상승 예측 69
2.31 300kW 직류발전기의 설계 예 72
2.32 30kW 직류전동기의 설계 예 95

3장 변압기의 설계

3.1 변압기의 개요 116
3.2 철심 117
3.3 권선 121
3.4 부싱 125
3.5 냉각방식 127
3.6 변압기 기름 132
3.7 전압변동률 133
3.8 손실 및 효율 135
3.9 누설 리액턴스 140
3.10 여자전류 142
3.11 단락시의 기계력 144
3.12 온도상승 148
3.13 이상 전압과 절연 157
3.14 권선 내 전위 경도 158
3.15 전위 진동 방지와 단절연 161
3.16 변압기의 탭 164
3.17 주요 치수의 결정 165
3.18 50kVA 단상 변압기 설계 예 171
3.19 150kVA 단상 변압기 설계 예 185
3.20 2000kVA 단상 변압기 설계 예 197
3.21 15000kVA 3상 변압기 설계 예 214
3.22 소음을 감소시킨 변압기 229
연 습 문 제 233

부 록

전기기기용 권선 및 규격
1. 전기기기 권선용 연동선 240
2. 피복선의 외경 241
3. 평각동선 단면적 242
4. 변압기 효율 계산용 모노그램 247
5. 전기기기에 관한 규격 248

찾아보기 251

2.31 300kW 직류발전기의 설계 예
직류발전기는 주문시 사양서를 근거로 설계하며, 사양서에서 지정된 사항으로는 출력, 전압, 회전수, 여자 방식, 외피의 형식 등이 있고, 효율 또는 전압변동율에 따른 특성도 주문자가 요구할 수 있다. 그러나 효율과 전압변동율은 주문자가 요구하는 지정사항 중 제작자가 표준으로 정해 놓은 사항으로 제작자와의 협의를 통하여 결정하는 사항이다.
온도 상승 한도, 절연내력시험 등은 전기기기의 규격에 따라 정해져야 하며, 아래에 나타낸 예는 디젤기관과 직결된 발전기로서 JEC-54에 근거하여 설계한다.

개방형, 평복권, 연속정격, 300[kW], 360[rpm]의 직류발전기를 설계한다.

전기자 주요부분 설계
주요부분의 설계는 지금까지 기술한 설명에 숫자를 대입하여 이루어지며 아래의 순서에 따라 진행된다. 발전기의 전 부하 전류 는 다음과 같다.
[A]
전기자 직경 를 구하기 위해

여기서, 은 회전수[rpm]를 나타내며, [그림 2.31]을 참고하면 본 예제의 직류발전기는 저속기계에 해당한다. 따라서 [그림 2.30]에서 전기자 직경 를 구하면, = 985 [mm]가 되지만 전기자 직경 를 1000[mm]로 선정한다.
전기자 직경 가 1000[mm]로 결정되면 [그림 2.32]를 이용하여 극수를 결정할 수 있으며 전기자 직경 가 1000[mm]에 상응하는 극수 가 8극이다.
또한, 전기자를 통과하는 매극 자속수를 결정하기 위하여 을 구하면 다음과 같다.

[그림 2.33]에서 이므로 를 에 가까운 값으로 선택하면 가 크게 되고, 전기자 철심의 체적이 작아지며 전기자 반작용이 커지게 된다. 를 에 가까운 값으로 선택하면 가 작게 되고, 전기자 철심의 체적이 크게 되며 전기자 반작용은 작아진다. 본 예제에서는 에 가까운 숫자를 선택하여 설계하기로 한다.
권선의 종류로는 중권을 선택한다. 전기자 회로수는 다음과 같다.

또한 전기자 전류 는 다음과 같다.

여기서 는 분권 계자 전류로 에 비해 무시할 수 있을 정도로 작으므로 [A] 로 가정할 수 있다. 따라서 전기자 도체에 흐르는 전류 는 다음과 같다. [A] 2.15절에 따라 ≤ 225 [A] 인 경우 매 슬롯당 도체수는 4개가 적당하다.
또한 직류발전기의 전체 도체수 는 식 (2.16)로부터 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 는 식 (2.37)에 나타낸 바와 같으며 이 경우 이다. 상기의 식에서 으로 계산하면 가 된다. 이를 슬롯당 도체수로 나누면 로 정수가 아니므로 615 주위에서 4로 나누어 정수가 되는 숫자 즉 616, 612, 608중에서 선택하여야 하며, 이에 상당하는 슬롯의 수는 154, 153, 152가 된다.
중권에서 균압선을 설치하려면 슬롯수는 , 즉 4의 배수가 되어야 한다. 따라서 슬롯수를 152로 선택함으로써 직류발전기 전체 도체수 는 608이 된다. 이 경우 자속은 다음과 같이 계산할 수 있다.

슬롯수가 되므로 가 된다. 이 값은 2.15절에 나타낸 매극 슬롯수의 한도보다 크므로 적합한 슬롯수이다.
전기자 코일 피치를 단절권으로 선택하고 슬롯 번호에서 1-19로 피치를 선택하면 1 슬롯 단절로 된다.
전기자 코일수
정류자편 수 = 전기자 코일수
도체의 단면적은 전류밀도에 따라 결정된다. 전류밀도는 4.5[A/mm2]로 하고, 도체는 평각선(平角線)을 사용하여 [mm](단면 38[mm2])으로 선정하면, 로 되므로 전류밀도는 다음과 같다.
[A/mm2]

전기자 슬롯의 치수는 다음과 같다.

횡 : 도체의 폭 3.5[mm]
테이프, 반중권의 두께 0.4
절연한 도체의 폭 3.9

절연한 2도체의 폭 7.8
슬롯절연 2.2
슬롯 횡의 폭 10.0

종 : 도체의 길이 11.0
테이프, 반 중권(half lap)의 두께 0.4
절연한 도체의 길이 11.4

절연한 2 도체의 길이 22.8
슬롯절연 3.8
26.6
웻지 5
슬롯에 필요한 길이 31.6
슬롯 길이 32
슬롯의 길이를 32로 결정하면, 슬롯의 치수는 10×32가 된다. 슬롯의 형태는 [그림 2.77]과 같으며, 슬롯의 절연방법은 [그림 2.36]을 적용하였다.

변압기는 전압을 가변시키는 전기기기로 상수(相數)에 따라서 단상(單相)과 다상(多相)으로 구분할 수 있다. 단상 변압기란 동일 철심에 2조 이상의 권선을 감은 변압기를 의미하며, 2조 이상의 권선 중 전원 측에 접속된 권선을 1차측 권선, 부하 측에 접속된 권선을 2차측 권선이라 한다. 변압기 1차측 권선에 입력된 전기적 에너지는 변압기 철심에서 자기적 에너지로 변환되고, 변압기 2차측 권선에서 전기적 에너지로 변환된다. 일반적으로 변압기의 한쪽 권선은 전압이 높으며, 다른 쪽 권선은 전압이 낮으므로 1차 권선, 2차 권선 대신에 고압권선, 저압권선으로 부르기도 한다. 다상의 변압기에서는 철심이 상수(相數)만큼 있지만 철심은 반드시 1개소 이상 각상에 공통된 부분을 가진다. 다상 변압기도 단상 변압기와 마찬가지로 1차 권선과 2차 권선을 가지며 각각의 상수에 해당하는 권선의 조합을 갖게 된다.
변압기는 철심 구조에 따라 내철형과 외철형으로 분류된다. [그림 3.1]은 단상 내철형 을 나타내며, [그림 3.2]는 단상 외철형 구조를 나타낸 것이다.

내철형 변압기는 자기회로가 1개로 되어 있고 권선은 환상 원통형으로 적층한다. 따라서 권선이 감겨져 있는 철심의 단면은 대형으로 될수록 원형에 가깝게 한다. 외철형 변압기는 자기회로가 2개 이상이고 권선이 자기회로에 취부되어 감긴 형태이다. 따라서 권선의 단면은 대부분 사각형 형태이고 철심도 사각형의 단면으로 되어 있다.
변압기 권선에는 동손이 발생되고, 철심에서는 철손이 발생되므로 변압기 내부의 온도상승은 필연적이다. 따라서 변압기에서 발생된 온도를 냉각시키기 위해서 소형 변압기의 경우 공기 중에서 자연냉각을 한다. 자연냉각 또는 자냉식은 외함에 기름을 채우고 이 기름을 통해 발생된 열을 외벽으로 전달시켜서 자연스럽게 냉각시키는 방식을 의미한다. 그러나 대형 변압기의 경우 외벽의 열이 자연냉각 방식으로 완전히 냉각되지 않으므로 외부의 기기를 이용하여 강제로 변압기 외벽의 열을 냉각시키는 방식을 취한다. 이러한 냉각방식을 강제냉각이라 하며, 주로 변압기 외함 또는 탱크 내에 수냉관 또는 유냉관을 두는 수냉식 또는 유냉식을 사용한다.
변압기의 전압은 대단히 높은 경우가 많으므로 권선을 외부로 인출할 때 부싱(bushing)을 사용한다. [그림 3.3]은 유압 자냉식 100[kVA]/ 3450, 3300, 3150, 3000, 2850[V]/220, 110[V]/ 50, 60[Hz] 단상 변압기의 개략적인 구조를 나타낸다. 이 그림에서 외함에는 파형(波形) 철판이 사용되며, 철심은 외철형이고, 코일은 교호배치(交互配置)로 되어있다. 1차, 2차코일은 외부 단자인 애자에 접속되어 있다. 고압 측에는 탭이 있으나 탭의 변경은 가능하며, 기름으로 냉각하는 경우 상온에서 유면계 중앙에 오도록 설정한다.