집밖은 위험해

동기기

- 동기 속도로 동작하는 교류기

* 동기속도가 아닌 채 동작하는 교류기는 유도기

형태 분류

- 돌극기 : 저속기, 수차 발전기(동기계, 단락비 0.6 ~ 0.9)

- 비돌극기 : 작고 긴 원통, 고속기, 터빈 발전기(철기계, 단락비 0.9 ~ 1.2) - 수소 냉각방식(화제 위험, 차폐)

동기발전기 유기기전력, 동기속도, 전기각

권선법

- 단절권 : 비용 절감

- 분포권 : 2층이 아닌 나눠서, 불꽃 방지

  => 파형 개선

동기 발전기 특징

- 회전 계자인 이유 : 계자가 전기자보다 간단, 회전하기 좋고 튼튼, 직류 저전압 인가해 소모 전력이 적음.

- Y 결선인 이유 : 제 3고조파 제거, 이상 전압 방지, 정격 전압 root(3)배

 * 변압기에선 delta 결선이 제 3고조파 제거한다.

전기자 반자용

- 횡축 반작용 R부하 : 교차 자화작용

- 직축 반작용 L 부하 : 전압이 전류를 앞선다(지상) -> L 부하 -> 자속 감소

- 직축 반작용 C 부하 :  전류가 전압을 앞선다(진상) -> C부하 -> 자속 증가

* 전동기는 반대

비돌극기 한상 출력

- 3상은 1상 출력의 x3

동기 임피던스

- 동기기의 회전자가 회잔하면 회전 자계가 발생하는데 대부분은 기자력에 영향을 준다(전기자 반작용)

- 그 중 일부는 전기자 권선만 쇄교해 자속을 생성한다.(작다,  전기자 누설 리액턴스)

전기자 누설 자속

- 전기자 반작용 : 전기자 전류에 의한 자속 중 계자 자속에 영향을 미침

- 전기자 누설 자속 : 주 자속 중 아주 적은 일부로 전기자 권선과만 쇄교하며 유기기전력에 영향을 주지 않는 자속

- 전기자 누설 리액턴스 : 전기자 누설 자속에 의한 역기전력

동기 임피던스

- 동기 리액턴스 : 전기자 반작용에 의한 리액턴스 x_a와 전기자 누설 리액턴스 x_l을 합한 것 x_a + x_l = x_s

- 동기 임피던스 : r_a + j * x_s = Z_s, 전기자 권선 저항과 동기 리액턴스의 합  

동기 발전기 특성 곡선

- 무부하 포화 곡선 : 무부하 정격 운전 중 계자 전류와 단자 전압의 관계

- 부하 포화 곡선 : 부하 정격 운전 중 계자 전류와 단자 전압의 관계

- 3상 단락 시험 : 계자 전류와 단락 전류의 관계

 => 단락비 산출에 필요한 시험 : 무부하 포화 시험과 3상 단락 시험

- 외부 특성 곡선 : 부하 전류와 단자 전압의 관계

단락비

- 단락비 k_s = 단락 전류 I_s/ 정격 전류 I_n

- 동기 임피던스 Z_s = E_n/I_s

- 백분율 동기 임피던스 Z_s' = Z_s * I_n/E_n x 100 = 1/k_s

 * P.U법 : Z_s' = Z_s * I_n/E_n[p.u] 정격 상전압을 1로 둘 때 백분율 동기 임피던스의 비

예제

단락비가 클 떄 특징

- 전압 변동률이 줄어든다.

- 동기 리액턴스가 줄어든다.

- 전기자 반작용이 작다.

- 안정도가 증가한다.

- 공극이 커진다.

- 비용이 크고, 효율이 낮다.

동기발전기 병렬 운전조건

- 위크주파(기전력)방

- 위상

- 크기

- 주파수

- 파형

- 방향

돌발 단락

- 평형 3상 전압 유기하는 발전기 3단자를 갑자기 단락시 큰 과도 전류가 흐르다 서서히 지속 단락 전류를 유지하는 것

- 단락시 순간적으로 튀다가 서서호 일정한 지속 단락 전류 값이 된다.

- 한류(누설) 리액터 : 돌발 단락전류를 제한하기 위해 다는 공심 리액턴스

여자기

- 여자기 : 동기기 계자권선에 직류 전원을 공급

 * 그러고보니까 직류기에서는 직류 전원을 바로 계자에다가 줫었다. 

 * 교류기의 계자에 직류 전원을 주기 위해 사용하나보다.

- 직류 여자기 : 여자를 위해 별도의 직류발전기를 사용하는 것

- 정류 여자기 : 반도체 정류기로 정류 후 계짜 권선에 공급하는것. 회전기/정류자/브러시 x

          =>유지보수가 용이해 선박/자가발전용으로 사용

직류 전동기 출력

- 역기전력에 I를 곱하여 전동기 출력을 얻고, 손실을 뺀것

직류 전동기 속도 & 토크 특성곡선

직류 전동기 기동법

- 기동 전류는 작고(계자 전류 크게), 토크는 크게

- 기동 저항 최대 -> 계자 전류 증가 -> 기동 토크 커짐

- 계자 저항 최소 -> 자속 증가

속도 제어법

- 계자 제어 : 정출력 제어. 계자 저항으로 계자 전류 제어

- 전압 제어 : 단자 전압 가감하여 조절

- 저항 제어 : 잘 안쓴다.

제동법

- 발전 제동 : 역기전력을 저항에서 열 에너지로 소모

- 회생 제동 : 역기전력을 전원에 보내 제동

- 역상 제동 : 전기자 접속 반대로하여 반대 토크 발생

손실

- 부하손(가변손)

  - 동손

  - 표류부하손

- 무부하손(고정손)

  - 철손

  - 기게손

직류 발전기 구성

- 전기자 : 회전하여 기전력을 유도

- 계자 : 자속 생성

- 정류자 : 브러시와 접촉해 교류기전력 -> 직류기전력 전환

- 권선이 1개(코일 2개)라 정류자편수가 적은 경우, 여전히 교류에 가까운 형태이나 정류자 편수 늘리면 직류에 가까워짐

전기자 권선 

1. 환상권과 고상권

- 환상권 : 환상철심으로 철심 내외부 감은 방법

- 고상권 : 환상권 문제 개선(감기 편함, 코일 리액턴스가 적어져 정류가 용이 등)

정류 작용

- 1. 코일 2-5'를 기준으로 보면, 브러시는 정류자 3편에만 붙어 오른쪽가는 전류 ia가 흐른다.

- 2. 전기자의 회전으로 브러시가 정류자 2-3 사이 위치시 코일 2-5'는 브러시로 단락되어 단락 전류 i가 생긴다.

- 3. 정류자가 회전해  브러시가 정류자편 2에 완전 접촉시 왼쪽 가는 전류 i_a가 흐르나 반대 방향이므로 -i_a가 된다.

정류 곡선

- 전기자 코일에는 자기 인덕턴스가 존재하여 전류 변화를 방해

- 브러시가 정류자편 3을 떠낼때 +i_a에서 -i_a로 순간적으로 변하면서, 고전압(역기전력, 리액턴스 전압) 유기

 => 정류자 편과 브러시 사이 불꽃 발생, 손상

- 정류 곡선 : 단락 코일 내부 전류 변화를 표현한 곡선

- 직선 정류 : 브러시 접촉면에서 전류 밀도가 균일한 이상적인 정류

- 정현파 정류 : 정류 개시 나 종류시 전류 변화가 없어 불꽃 발생 x

- 과정류 : 정류 시작 시 큰 전류 변화로 브러시 앞에 불꽃 발생

- 부족 정류 : 정류 종료 시 큰 전류 변화로 브러시 뒤에 불꽃 발생

직류 발전기 특성 곡선

- 무부하 특성 곡선 : 무부하 상태시의 계자 전류 If와 유기기전력 E 사이 곡선으로 모든 특성 곡선의 기본

- 부하 특성 곡선 : 정격 속도서 부하 전류 I와 단자 전압 V 사이 관계 

- 외부 특성 곡선 : 정격 속도에서 부하 전류 I와 단자 전압 V 사이 관계

직류 발전기 외부 특성 곡선 비교

- 차동 복권 발전기 : 정전류 특성(수하 특성)을 가져, 용접용 전원으로 사용

직류 발전기 병렬 운전 조건

- 직권 발전기 포함시 : 균압선 필요

- 대부분은 같아야 하나 용량은 무관

전동기 복습

- 3상 유도 전동기 : 정속도 운전, 간편, 저렴, 공장에서 주로 사용

- 직류 전동기 : 속도/토크 제어와 회전 방향이 용이하여 전차, 크레인 등 광범위 하게 사용하나 값 비싸고,직류전원필요

전기기기 발전 과정

- 1820 ~ 1870 : 전기기기 실험 및 제작

 -> 전류 자기 작용 발견, 아르고의 원판 실험, 전자석 발명, 전자 유도 현상 발견(페러데이), 자기유도현상 발견(헨리) 

- 1870 ~ 1920 : 전기기기 원형 완성 및 실용화

  -> 지멘스의 자계 여자방식 발명, 직류 발전기, 3상 교류 발전기, 변압기 기반 발명

- 1920 ~ 1970 : 소형 경량, 대용량화

- 1970 ~ : 계산기 해석 및 제어, 시스템화

 -> 다양한 제어 시스템을 활용. 기존의 전압, 전류만을 이용하던 것에 주파수가 추가됨.

에너지 변환

- 전열기 : 전기 -> 열

- 전동기, 계전기 : 전기 -> 운동

- 변압기, 정류기 : 전기 -> 전기

- 전해질, 축전지 : 전기 -> 화학

- 형광등 : 전기 -> 방사(파장 변환)

전기 기기 분류

- 전기 기기 : 전기 -> 운동

- 전기 기구 : 전기 에너지를 운동 에너지 이외의 에너지로 변한 하는 장치

연산 증폭기 응용분야

- 선형 증폭기 : 반전/비반전 증폭기

- 연산 증폭기(연산기) : 미분, 적분, 더하기, 빼기

- 비교기, 파형 발생기

연산기

1. 미분기

- 반전 연산 증폭기에 저항 R1 대신 캐패시터 C를 사용하여 미분 연산을 하는 회로

2. 적분기

- 반전 연산 증폭기에 저항 R2 대신 캐패시터를 사용하여 적분 연산을 구현한 회로

3. 가산기(가산 증폭기)

- 여러 입력 신호를 선형 합하여 증폭하는 회로

- 모든 저항이 같은 경우에 출력 전압은 입력 전압의 합의 반전이 된다.

4. 감산기

- 반전 연산 증폭기의 결과와 비반전 연산 증폭의 결과를 합

- 저항이 모두 같다고 가정하면 두 입력 v2, v1간의 차이가 결과 전압으로 나온다.

회로와 집적회로

- 개별 소자 회로 : 소자들을 모아 구성한 회로

- 집적 회로 : 많은 소자들을 집적하여 만든 회로

집적회로에서의 연산증폭기

- 여러 소자들을 모아 이상적인 증폭기에 만든 것

- 편리, 소형, 신뢰, 저가로 아날로그 시스템에서 널리 사용

- 기본적으로 차동 증폭기를 사용.

증폭기의 종류

- 전류 증폭기 : 입력 전류 i_I에 의해 출력단 종속 전류 A_i * i_i이 조절되는 증폭기

  + 이상적인 전류 증폭기 : 전류 이득 A_i = inf, 입력 저항 R_i = 0, 출력 저항 R_o = inf(부하로 많이간다)

- 전압 증폭기 : 입력 전압 v_i에 의해 출력단 종속 전압 A_v * v_i가 조절되는 증폭기

  + 이상적인 전압 증폭기 : 전압 이득 A_v = inf, 입력 저항 R_i = inf, 출력 저항 R_o=0(부하에 많이 걸린다)

- 전달 컨덕턴스 증폭기

- 전달 저항 증폭기

연산 증폭기

- 두 입력과 하나의 출력으로 구성 + +V_CC(Source), -V_EE(sink)의 이중전원사용

- 비례 상수 A_o는 개루프(open loop) 이득을 의미

   =>v+는 위상반전없이 증폭, v-는 위상반전되어 증폭

- 출력은 공급 전원인 -V_EE <= v_o <= +V_CC 범위로 제한되며, 초과시 해당 범위로 포화)

- 이상적인 연산증폭기에 가깝게 만들기 위해 수십개의 트랜지스터 사용 + 개루프 이득이 아주 큼

연산증폭기와 등가회로

- 이상적인 연산 증폭기에 가깝게 입력 저항은 무한대, 출력 저항은 0, 이득은 아주 크게 만들어 진다.

- A_o가 100k라 할때, 1V 출력을 얻으려면 v_i는 10uV면 된다

- 포화 전압이 +-5V인 경우, v_가 +-50uV를 넘어가면 포화된다.

 => 비교기로 사용하려면 포화시키면 된다.

 + uV 단위는 매우 작으므로 0으로 보자.

- 증폭기로 사용하기 위해서는 선형영역이 넓어지는것이 좋다.

연산증폭기의 동작

- 비교기 : V_in이 +V_cc, -V_EE로 포화시 비교기로서 비선형적인 동작

- 증폭기 : V_o의 일부가 반전 입력으로 궤환. 궤환 비율은 분배 저항 R1, R2로 결정

      -> 출력이 반전 입력단으로 들어가므로 기존의 출력 v_o와 위상이 반대로

      -> -가 되어 출력에 반영되어 개루프때보다 이득이 줄어든다.

      => 부궤환을 통해 선형영역을 늘린다 => 증폭을 조절하기 좋아진다 => 증폭기로 사용한다.

가상 단락

1. 연산증폭기의 입력 저항 R_i는 무한대이므로 두 입력 사이에는 (i+) + (i-) = 0전류가 흐르지 않아 개방 회로가 된다.

2. 연산 증폭기의 전압 증폭률 A_v = 무한대에 가까워야하나 v_o가 포화되지 않으려면 v_i는 0에 가까워야한다.

 => v_i = 0이 된다는것은 단락 상태를 의미한다

    *개방시는 V가 무한대가 됬었고, 단락시에는 0이므로

- 가상 단락 : 개방과 단락의 성질을 동시에 가지는 것 => 연산 증폭기 해석에 유용

반전 증폭기

- 비반전 입력은 접지, 반전 입력에만 입력을 주는 증폭기

1. 비반전 입력 : 접지처리되어 입력단 전압 v_+ = 0 

2. 단락 성질 : 반전 입력단의 전압 v_-는 비반전 입력단의 전압 v_+과 같으나 비반전 입력 전압이 0이다.

               => Vs와 v_- 사이 전위차가 존재하므로 저항 R1에 전류가 흐른다.  => i = Vs/R1

3. 개방 성질 : 입력 저항이 무한대 = > 개방 상태 => 반전 입력단자에 가지 않고, R2로 간다.

              => 출력단 전압 v_o는 저항 R2에서 전압 강하된 전압을 뺀 정도가 된다.

              => v_o = (v_-) - (R2 * i) = -R2 * i

- 정리하면 폐루프 이득 A_v를 구할 수 있으며, 이득 A_v는 R1과 R2를 조절하여 바꾼다. 

 * 입출력 전압의 위상은 폐루프 이득이 음수이므로 반대가 된다.

비반전 증폭기

- 비반전 증폭기는 +에 입력을 - 단자에 접지를 하는 증폭기로 앞서 본 가상 단락의 개념으로 증폭도, 출력을계산하자

비반전 증폭기의 궤환 전압과 궤환 전압 이득, 전체 저항

- 두 저항을 이용한 전압 분배를 떠올리자. 궤환 전압 v_f와 전압 궤환 이득 beta를 구할 수 있다.

- 전체 입력 저항 R_if는  V_in = (V_+) - (V_-)로 부터 구할 수 있다.

N형 BJT 구조

- C-B 다이오드는 종속 전류원으로 동작

BJT 동작

- B-E에 순방향 바이어스, C-B에 역방향 바이어스를 인가 시 BJT는 활성 상태가 된다.

1. 바이어스 인가 전

- 바이어스 인가 전에는 B-E 사이 공핍층에 의해 전장 E_BE, C-B 사이에는 전장 E_CB가 존재한다.

- E_BE는 전자가 E에서 C로 이동하는 것을 막고 있다.

- E_CB는 정공과 전자를 분리하여 결합을 막아 이동하는 것을 돕고 있다.

=>B-E에 순방향 바이어스를 인가하면 전자 이동을 막고 있는 전장 E_BE를 줄일 수 있다.

=>B-C에 역방향 바이어스를 인가하면 전장 E_BC가 더 두터워져 정공과의 결합을 줄여 더 쉽게 이동할 수 있게 된다.

2. 바이어스 인가

- 이미터로 전자가 주입되고, 이미터의 전자가 컬렉터로 이동하는 중 일부는 베이스의 홀과 재결합하여 사라짐.

  => 사라진 홀은 V_BE 단자로 보충

- 나머지 이미터 전자들은 확산하면서 베이스를 넘어가 컬렉터에 모이게되고(수집) 전류가 흐르게 된다.

 => 바이어스 인가전에는 전위장벽 E에 의해 넘어가지 못하던 전자들이 E로 주입되어 넘어가면서 B에서 일부는 재결합하고 나머진 넘어가면서 흐른다.

BJT 바이어스

- BJT를 활성 시키기 위한 방법

- B-E 사이에 있는 다이오드는 온도 영향을 크게 받음 -> 저항 R_B를 직렬연결하여 I_B 제어

BJT 증폭기와 구성

- CB : E 입력, C 출력, B 공통단자

- CE : B 입력, C 출력, E 공통단자

- CC : B 입력, E 출력, C 공통단자

- CB 증폭기 : A_v, A_i가 증폭, 종속 접속을 통해 이득을 키운다. (beta = 50)

- CE 증폭기 : A_i가 1보다 약간 작다. 입/출/전압/전류 위상이 동위상 (alpha=1)

- CC 증폭기 : A_v가 1보다 약간 작으며, 고입력 저항 회로(임피던스 정합회로) 

소신호 등가회로(=교류 등가회로)

- 아래 그림은 CE 소신호 등가회로의 4단자 회로망 형태

제너 다이오드

- 제너 항복 : 역방향 바이어스 인가시 전류가 급격히 감소하기 시작하는 전압 지점

 => 제너 다이오드에 역방향으로 인가 전압을 높여도 제너 다이오드에 걸리는 전압은 일정하나

      역방향으로 흐르는 전류가 급격히 커짐

정류 회로

- 대부분의 전자 장비는 직류 전원을 이용

- 송전 선로에서 경제성(변압, 변환 등)을 이유로 교류로 송전하고, 가정에서는 교류를 직류로 정류해 사용.

반파 정류기

- 교류 전원을 받아 변압 후, 다이오드를 통해 반파 정류하는 회로

- 가장 낮은 효율 간단

전파 정류

- 중간 텝(접지역활)을 이용해 교류 전체 파형을 정류함.

- 권선 길이가 반파 정류회로의 2배, 세게 작용하는 교류 역전압, 전압이 반토막 난다.

브리지 정류 회로

- 4개의 다이오드를 이용한 전파 정류 회로

- 효율이 좋으나 많은 다이오드 필요, 순방향 전압강하가 크다.

평활회로

- 정류 후 맥류에는 고조파 교류 성분을 포함해서 완전한 직류는 아님.

 => 캐패시터 C를 정류회로에 병렬로 연결

 => 공급 전류가 떨어지면 저장된 에너지 방출하여 평활화

- RC 회로 시정수 : 충전시 63.2%까지 도달하는 시간, 방전시 36.8%까지 도달하는 시간

 => 시정수가 크면 방전이 오래 걸리므로 직류 모양에 가까워 진다.

- 리플 : 직류 중 남아있는 교류 성분

클리퍼

- 일정 파형만 잘라서 나머지 부분만 통과하는 회로

클램퍼

- 파형은 유지하되 0V가 아닌 일정 기준 전압으로 올리거나 낮추는 회로

비정현파 발생

- 교류 회로는 가능한 전압/전류가 교류가 되도록 설계하지만 발전기에선 전기자 반작용, 변압기에선 자기포화, 히스테리시스 현상 등으로 정현파가 일그러짐. => 왜형파/비정현파

- 비정현파 = 연속파(대칭파 + 비대칭파) + 불연속파

비정현파 실효값과 왜형률

- 비정현파 실효값 = 기본파 + 전고조파의 rms

- 왜형률 = 전고조파 rms/기본파 rms

* 맥동률 = 교류분/직류분, 불평형률 = 역상분/정상분

비정현파 실효값 왜형률 문제

비정현파 회로 계산

1. R 회로 :  v와 i는 동상이므로

2. L 회로 : i는 v보다 90도 늦으므로

3. C 회로 :  i는 v보다 90도 앞서므로

RLC 직렬 회로와 공진

- 다음의 RLC 직렬회로에 비정현파 인가시 n고조파 임피던스, 공진 주파수 등은 다음과 같다.

- 비정현파 전압 v와 임피던스로 전류 i를 구할 수 있으며

- n 고조파 공진시 해당 고조파 성분은 부하에 가지 않고 LC회로로 바이패스된다.

비정현파 전력

- 비정현파 v와 i가 주어질 때, 순시전력 p = vi를 이용하면 된다,

* 주파수가 다른 전압과 전류의 전력은 0이 되므로 같은 주파수간의 전력만 구하면 된다.

* 피상 전력 S는 인가 전압 v의 순시치 x 인가 전류 i의 순시치로 구한다.

* 유효 전력 P는 각 고조파의 (V 순시치 x I 순시치)들의 합으로 구한다. 

   + (위상차가 없는)같은 고조파의 경우 P = V I cos theta에서 theta는 0이 되므로 cos theta는 1로 놓고 본다!

예제

2전력 계법

- 불평형 3상 3선 회로를 2개의 전력계로 구한 전력의 합/차로 3상 전력을 측정하는 방법

- 3상 유효 전력 P = P1+P2

- 3상 무효 전력 Q = root(3)(P1 - P2)

- tan theta는 Q/P로 구할 수 있다.

재정리

- 대칭 3상회로 : 기전력=, 위상각 2pi/3

- 대칭 3상 전원 회로 : 대칭 3상 회로 + 내부임피던스=

- 평형 3상 부하 회로 : 3상 부하 임피던스 =

- 평형 3상 회로 : 대칭 3상 전원 회로 + 평형 3상 부하 회로

=> 불평형 회로 = 3상 부하 임피던스가 같지 않은경우?

대칭 좌표법

- 평형 회로 문제를 쉽게 계산하기 위한 방법

- 상순이 a,b,c인 평형 3상전압 V_a1, V_b1, V_c1 

    + 상 순이 반대인 평형 3상전입 V_a2, V_b2, V_c2

    + 방향과 크기가 같은 3상 전압 V_a0, V_b0, V_c0

   = 불평형 전압 V_a, V_b, V_c를 얻는다.

=> 반대로 불평형 전압을 영상분/ 정상분/역상분으로 분해 가능하다.

    - 영상분 : 방향과 크기가 같은 전압성분

    - 정상분 : 상순이 a, b, c인 전압성분

    - 역상분 : 상순이 반대인 전압성분

- 벡터 연산자를 이용하여 불평형 3상 전압 벡터를 정리하면..

- 전류도 동일한 관계를 가진다.

- 대칭분 = 영상분 + 정상분 + 역상분

- 정상분만 존재하는 경우를 평형 3상 전압

- 역상분이 존재하지 않은경우 => 불평형률 = 0 => 평형 3상 전압

예제

대칭 3상 교류 발전기

- 대칭분 행렬을 통해 기전력, 단자전압, 전류를 다음과 같이 정리 할 수 있다.

- 영상분, 정상분, 역상분에 대한 임피던스가 주어지면 각각의 단자 전압은 다음과 같다.

- 위 3상 교류발전기가 대칭 3상 발전기이므로 a상으로 각상 기전력을 바꾼 후 단자전압을 다음과 같이 정리할 수 있다.

3. 3상 회로 고장 계산

1) 1상 지락

- a상 지락 시, b와 c상에 흐르던 전류들이 사라지고 i_b = i_c = 0, 접지된 a쪽으로 흐르므로 접지전류 i_a를 구해야한다.

 * a로 전류가 흐르나, 부하가 존재하지 않으므로 V_a =0이 된다.

2) 2상 지락

- b, c상 지락

   => a상으로 흐르는 전류가 없어진다 i_a = 0.

   => 부하가 없으므로 단자전압 v_b = v_c =0이 된다.