초보가 설명하는 삼상전력과 그 장점 1) 회전자계

 

 

 

공지 : 이 글은 e-book "왕초보지침서 - 전기쟁이"의 내용입니다.

e-book을 판매중지하고 블로그에 그 내용을 순차적으로 공개할 예정입니다.

 

 

우리가 사용하는 전기에 대해 좀더 알아보자.

 

이 책을 읽고 계실 독자분들은 전기 및 기술관련된 분들이라 판단하여

 

가정용 소규모 수용가의 220V 전압이 아닌 380V 삼상전원을 사용하신

다고 생각하고 3상 전력에 대해 기술해 보겠다.

 

질문을 하나 하겠다.

“3상 전원의 장점이 무어라 생각하는가?”

 

여러가지가 있겠지만 크게 필자는 두가지로 생각한다.

 

그 두가지 중에 하나가 이제 설명 드리려고 하는 회전자계이다.

전기 자기학을 전문적으로 공부하신 분들이 많지 않으니 

 

정말 초보가 초보에게 설명한다는 마음으로 복잡한 수식등을 배제하고 알아보자.

 

과거 아라고 라는 사람이 있었다. 

 

이사람이 쇠로된 원판에 가운데 못을 박아 고정해 놓고 

 

못을 중심으로 돌수 있게 만든후, 

 

위에 자석을 두고

휙! 돌렸더니 자석이 움직이는 방향으로 원판이 따라오더라~~~~~ 하는

지극히 상식적인 것을 발견하게 된다.

 

이것을 후세에 "아라고 원판" 이라고 부르게 되었다

 

그 "아라고 원판"의 원리가 우리가 모터중에 많이 사용하는 유도전동기 의 원리이다.

즉 쇠판은 자석을 따라서 돌기에 자석만 돌려주면 쇠판을 회전시킬 수 있다라는 것이다.

 

그런데 이 자석이란 놈을 어떻게 돌려 주느냐!!! 

 

이것이 문제인데

우리가 쓰는 3상 전기는 결선을 해 놓으면 자연스럽게 회전자계! 

 

즉 뱅뱅 돌아가는 자석이 형성 되더라 하는 것이다.

 

자 그러면 어떻게 자석이 돌아 갈까?

그걸 설명하려면 먼저 교류가 어떻게 생성되는지를 봐야 한다.

자 아래 발전기가 있다.

 

그림 1

 

영구 자석사이에 도체를 두고 수차나 풍차나 이런것 이용해서 

 

도체를 회전반향으로 돌린다고 가정해보자.

 

그러면 도체에 전류가 유도 된다.

 

도체의 회전방향 화살표 쪽으로 돌리면 전류방향의 화살표 방향으로 전류가 생성되는 데 

 

그 이유는 플레밍의 오른손 법칙으로 설명할수 있다.

그림 2

모두 오른손을 이렇게 해보자. 

 

필자가 외우는 조금 상스러운 방법은 이렇다.

옆 친구가 자꾸 깐족되며 화를 돋구고 있다. 

 

참다 못한 나는 나도 모르게 오른주먹을 친구놈의 턱에 날렸다. 

 

“X발!” 하며.......

 

발! 발전기는 오른손이다. 

 

반대로 전동기는 왼손 법칙이다.

 

 

그럼 손가락들의 각 방향은 무엇을 나타내는가?

우리는 힘좋은 친구들한테 엄지 손가락을 세워주며 칭찬하곤 한다. 

 

엄지의 방향이 힘의 방향이다. 힘=F,

검지는 우리가 손으로 권총 쏠때 총신이라 생각해 보자. 

 

BB탄 총 총알이 총신으로 나가니 검지가 B, 

 

즉 자석N극에서 S극으로 나오는 자속의 방향 이다.

 

남은 중지는 당연히 I가 되어, 

 

FBI 의 방향을 알 수 있고 

 

이것이 발전기의 FBI의 방향을 결정해주는 플래밍의 오른손 법칙이다.

자속은 N극에서 S극으로 간다. 

 

북한(N)이 남한(S)을 처들어 왔으니 그렇게 기억 하시면 될듯 하다.

자 그러면 도체가 회전할때 전류가 발생하는 것을 알았다면 

 

그 양, 즉 전류의 크기는 어떻게 변화할까?

다음 그림을 보자

그림 3

이 그림은 그림1에서 A눈 과 B눈의 위치에서 도체를 바라본 모습이다.

 

발전시의 전류량은 도체 내부에 얼마나 많은 양의 자속이 상쇄하느냐와 관계가 있는데, 

 

그 양은 A눈에서 바라 봤을때 도체가 이루는 면적부분의 넓이가 얼마나 크냐에 비례 된다.

즉 0도일때는 쇄교하는 빗금친 부분이 없고 점점 증가하여

 

90도 일때 쇄교하는 넓이가 가장 넓은 것이다.

 

 

그러면 그 발생하는 전류를 그림으로 그려보면 다음과 같다.

 

그림 4

여기서 전류가  " - " (마이너스) 영역으로 넘어가신 것은

 

최초 그림1에서의 전류 방향이 180도가 되면 

 

힘의 방향 화살표가 그려진 도체가 S극 앞에서 

 

아랫방향으로 운동 방향이 바뀌며 

 

전류의 방향이 바뀌어 진다는 것으로 

 

최초 방향의 전류가 양이라면 

 

바뀐 전류의 방향은 음이 되는 것이다.

 

허나 도체가 계속 뱅글뱅글 돈다면 전선이 꼬여서 얼마 못가 서버릴 것이다.

 

따라서 회전부에 탄소전극등을 놓고 도체를 밀착 시켜서 돌리기 때문에 

 

운동방향이 상하로 바뀌고 도체 + - 표시한 부분에서도 

 

-쪽 탄소전극으로 넘어가니 자연스럽게 물결모양의 전류가 생성 되는 것이다.

 

자 이제 교류전류가 생성되는 원리를 알았다.

 

그러면 저 도체가 하나가 아니라 3개를 돌린다면 어떻게 될까?

 

그림 5

그림은 B눈 방향에서 본 세 개의 도체이다. 

 

A도체를 기준으로 기계적으로 120도, 240도의 위상차를 두고 배치하였다.

이렇게 도체를 배치해서 발전한다면 

 

다음과 같은 3상전류가 나올 것이다.

그림 6

각 도체의 색과 같은 색의 전류 파형이 그림처럼 나타날 것이다.

 

이것이 삼상 전류이다.

 

이 삼상전류를 우리 현장에 많이 있는 유도 전동기에 연결하여 돌려 보도록 하자

 

 

고정자

 

우리가 쓰는 유도전동기는 사진처럼 코일을 감아 그 끝을 단자에서 삼상전원과 연결하고 

(이것을 고정자, 스테이터라고 함)

그 안에 철편이 쭉을 농형으로 붙어 있는 회전자(로터 라고 함)을 넣어놓는 구조이다.

회전자

고정자 사진처럼 많이 감지 않고 각 선에 연결될 코일을 한바퀴씩만 감았다고 생각하고 다음 그림을 보자

 

그림 7

 

그림7의 A지점, B지점, C지점에서 고정자에 감아진 코일들은 어떤 방향의 전류를 보일까?

먼저 A지점을 보자

그림 8

고정자를 정면에서 바라본 모습으며 코일은 한바퀴씩 감았다 

 

즉 A1,B1, C1을 각각 A2, B2, C2 와 연결된 것이다.

전원은 각각 A1, B1, C1에 주었다.

 

그림 7의 A지점을 다시보자. 

 

A전류는 양의 값을 같는 전류다 

 

A1으로 들어가니 X로 표시하자(임의로 정한것임)

B전류도 양의 값이니 B1으로 들어가 X,

C전류는 음의 값을 가지니 C2로 들어가 C1으로 나오는 방향일 것임으로 ‘점’으로 표시하자.

 

그림 9

들어가는 쪽이 N극이라 하고 나오는 쪽이 S극이라 한다면 그림과 같은 자석이 있는것과 같을 것이다.

 

이제 B지점과 C지점을 보자

그림 10

A전류는 음의 값을 가지니 A1으로 나와 “점” 

 

B전류도 음의 값을 가지니 B1의로 나와 “점” 

 

C전류는 양의 값을 가지니 C1으로 나와 X, 

 

그후 다시 자석을 그려 보면 그림과 같이 된다.

C 지점은 한번씩 그려 보는것도 좋을 듯하다. 

 

아니면 임의의 다른 점을찍어 그려 보아도 좋다.

C 지점은 아래와 같이 나타날 것이다.

 

이렇게 전기만 3상으로 걸어 놓으면 큰 전자석이 스스로 돌게 되는 것이다.

이것이 삼상이 같는 “회전자계” 이다.

필자가 손으로 그린 그림이라 혹 다른 모양이 나올수도 있으나,

현장에 공학용 계산기가 있으시다면 이렇게 계산해봐도 알수 있다.

한상의 발생하는 전류의 크기는 = BLv sin θ 이다. (θ [세타])

 

하나는 BLv sin θ, 

 

하나는 BLv sin θ+120, 

 

하나는 BLv sin θ+240 해서 

 

그 합을 해보면 어떤 θ를 넣어도 한상 값의 1.5배의 값으로 나온다.

 

그 크기의 전자석이 뱅뱅 도는 것이고, 

 

그렇기 때문에 회전자계 안에 있는 회전자 (로터)가

 

아라고 원판의 원리에 따라 빙빙도는 회전자계를 따라오는 것이며

 

한상이 결상이 나면 회전자계가 생기지 않기 때문에

 

모터는 전류때문에 고열만 생기지 돌지 못하여 소손 되는 것이다.

 

 

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