전기기계및전력전자 Lab.

이론적/역사적 배경

교류여자기기

전기기계및전력전자 Lab.

전기의 발전초기1881년 당시 Punch신문의 시사풍자 만화

“저 애기- 전기(electricity)가 자라서 뭐가 될까 ?” 하고

King Steam과 King Coal 이 걱정스럽게 바라보고 있는 장면

전기기계및전력전자 Lab.

회전기의 유형 및 분류

(1) 회전기(rotating machine)- 정의 : 동력을 얻는 전동기와 전력을 얻는 발전기의 총칭

(2) 직류기(DC electric machine)- 직류전동기(DC electric motor)- 직류발전기(DC electric generator, DC dynamo)

(3) 교류기(AC electric machine)- 교류전동기(AC electric motor)- 교류발전기(AC electric generator, AC dynamo)

전기기계및전력전자 Lab.

전기기기의 발전 배경 -이론적 근거(요약)

- 1785년 Coulomb 대전된 두 공 사이에 힘이 발생됨

- 1820년 Oersted 전류가 흐르는 도선주위에 자계가 형성됨

- 1820년 Ampere 전류가 흐르는 두 도체사이에 힘이 작용함

- 1821년 Faraday 자계내의 도체에 전류가 흐르면 그 도체에힘이 작용함

- 발전기 및 전동기에 적용되는 법칙① Fleming의 오른손법칙 ; 발전기에 적용② Fleming의 왼손법칙 ; 전동기에 적용

전기기계및전력전자 Lab.

전기기기의 발전 배경 - 이론적 근거

- 1785년 Coulomb 대전된 두 공 사이에 힘이 발생됨

→ 쿨롬의 법칙 221

041

RQQF ·=

pe

전기기계및전력전자 Lab.

전기기기의 발전 배경 - 이론적 근거

- 1820년 Oersted 전류가 흐르는 도선주위에 자계가 형성됨→ 오른나사의 법칙(오른손 법칙)

- 직선형 도체 대신 코일형태로 감으면코일의 중심축을 관통하는 총 자속이 형성됨

전기기계및전력전자 Lab.

- 1820년 Ampere 전류가 흐르는 두 도체사이에 힘이 작용함

<예> 서로 나란한 두 도체의 거리가 d 이고 흐르는 전류가

1) 서로 같은 방향이면 2) 서로 다른 방향이면끌어당기는 힘이 작용함 밀어 내는 힘이 작용함

전기기기의 발전 배경 - 이론적 근거

전기기계및전력전자 Lab.

- 1820년 Ampere 전류가 흐르는 두 도체사이에 힘이 작용함

<예> 서로 나란한 두 도체의 거리가 d 이고 흐르는 전류가

1) 서로 같은 방향이면 끌어당기는 힘(인력)이 작용함

전기기기의 발전 배경 - 이론적 근거

11

02IHpe

=

1 1 2 sin 90F B I l= °

0 1 21 2

I IF ld

mp

® =

전기기계및전력전자 Lab.

전기기기의 발전 배경 - 이론적 근거

- 1821년 Faraday 자계내의 도체에 전류가 흐르면 그 도체에힘이 작용함

→ Tesla의 유도전동기의 이론적 배경이 되었음

- 발전기 및 전동기에 적용되는 법칙 ; 도체의 길이가 일 경우

① Fleming의 오른손법칙 ② Fleming의 왼손법칙(발전기에 적용) (전동기에 적용)

v

Be

f

B

i

vBle = Bilf =

l

전기기계및전력전자 Lab.

- 1839년 Henry motor

두 전자석의 자화상태에 따라 진동하는 구조

회전기의 발전 - 직류기의 발전

전기기계및전력전자 Lab.

회전기의 발전 - 직류기의 발전

- Bourbrouze motor

Henry motor를 이용하여 왕복운동을 회전운동으로 변환하는구조 (증기기관과 같은 원리)

전기기계및전력전자 Lab.

회전기의 발전 - 직류기의 발전

- 1875년 Gramme dynamo(발전기)

기계적 회전에너지를 전기에너지로 변환시키는 실용형태의직류발전기를 최초로 설계함

전기기계및전력전자 Lab.

전구의 발명 - 직류계통의 발전시초

- 1879년 Edison 백열전등 개발당시 사용되던 16candlepower 가스등과 유사한 광도를 갖도록필요한 소비전력이 100W 이었음

1) 1878년 10월 플라티늄 필라멘트형 10V 전구 최초 개발2) 1879년 10월 평균수명 300시간의 저가형 전구 개발

전기기계및전력전자 Lab.

전구의 발명 – 전력량 측정계

- Edison electrolytic meter 개발전류에 따라 전해액 속의 구리가 금속판위로 점착되고일정시간후 금속판의 무게를 측정함

전기기계및전력전자 Lab.

선풍기의 발명

- Edison fan

전기기계및전력전자 Lab.

직류상용전원계통 – 전등의 보급

- 가스등의 불편해소를 위해 개발된 전등이 매우 편리했으므로 폭발적 인기를 갖고 확산되었음(1890년대 Cincinnati 거리)

전기기계및전력전자 Lab.

직류상용전원계통 – 1890년대 Cincinnati시 거리

전기기계및전력전자 Lab.

직류상용전원계통 – 평가 및 분석

- Edison의 General Electric 회사의 직류전원계통

(1) 110V의 저전압 직류전원 공급

(2) 선로의 전력손실때문에 공급영역에 제한 - 발전가격상승(직류계통의 송전반경= 1.6km정도 이었음)

(3) 해결책

① 선로전압의 승압 → 전등부하때문에 승압불가② 선로저항이 낮은 동선 개발 → 막대한 투자가 요구

③ 고저항 필라멘트를 갖는 전구 개발

전기기계및전력전자 Lab.

직류상용전원계통 – 주변여건

(1) Westinghouse Co.에서는 교류전원계통을 제안

- 1881년 Gaulard와 Gibbs 런던에 교류계통 실증- 1886년 Stanley Great Barrington 에서 첫 적용

(2) 교류계통의 강점

- 변압기를 이용한 선로전압의 변압이 가능- 승압으로 선로 손실 저감- 서비스면적이 확대되고 발전단가 저하

전기기계및전력전자 Lab.

직류 vs 교류 상용전원계통 – 직류계통 강점 강조

(1) Edison General Electric Co.에서 직류의 강점 발표(교류 대비)① 신뢰도가 높음② 교류용 전력량계가 없음③ 교류용 전동기가 없음④ 전기도금이나 밧테리충전은 직류가 더 적합⑤ 110V 또는 240V 직류가 확실히 안전함

(교류의 높은 전압으로 “kill a horse” 우려)(2) 문제점 해결

② 1888년 초 Shallenberger ; Magnetic disk meter 개발③ 1888년 Tesla ; 유도전동기 개발⑤ 논란끝에 1890년 여름 Westinghouse Co.가 Willamette

Falls에서 Portland까지 4000V의 19km-선로 설치

→ “교류전력계통”으로 전환

전기기계및전력전자 Lab.

회전기기의 발전

- 1887년 Haselwander 교류발전기 개발3상 교류를 발생시키는 2.2kW급의 교류발전기

전기기계및전력전자 Lab.

회전기기의 발전

- 1888년 Tesla 3상 유도전동기 ; 회전자계 원리 이용

전기기계및전력전자 Lab.

회전기기의 발전

- 1890년 Dobrowolsky 농형 구조의 회전자 개발

전기기계및전력전자 Lab.

회전기기의 발전사

1821 Faraday Discovery of electromagnetic rotation1837 Thomas Davenport motor1839 Joseph Henry motor1841 Wheatstone Armature arrangement1845 electromagnet(전자석)의 사용1862 Wilde Separately-excited generator(타여자 발전기)1867 Siemens Self-excited generator(자여자 발전기)1870 Gramme DC machine1875 직류발전기의 실용화1877 Gramme 아크용 교류발전기1882 Tesla 회전자계의 가능성 제시1888 Tesla 3상 유도전동기 특허1890 Dobrowolsky 농형 회전자 개발

전기기계및전력전자 Lab.

교류 상용전원계통 – 주파수의 결정

(1) 전기적 부하의 2가지 유형① 전등 부하 ; flicker(깜빡거림)를 줄이기 위해 주파수를

높게 할수록 좋음② 전동기부하 ; 적절한 회전속도를 위해 주파수를 낮춤

(2) 주파수의 결정- 1890년 Stilwell 이 60Hz의 주파수를 제안함- 전등부하와 전동기부하를 모두 고려한 하나의 동작점 타협

- 최종주파수미주지역 = 60Hz유럽지역 = 50Hz

전기기계및전력전자 Lab.

교류계통의 발전사

1819 Oersted 선전류 주위에 자계 형성1831 Faraday 전자유도(electromagnetic induction)원리1881 Gaulard,et al. 런던에서 변압기 이용 교류계통 입증1882 Hadfield 첫 철심합금(manganese steel) 발견1885 Deri, et al. 폐철심구조 및 고정 권선수의 변압기 개발1886 Stanley 미국내 교류계통을 첫 적용함1886 Hadfield silicon steel plate(규소강판) 관련 특허1886 Westinghouse AC generator(2000 rpm, 8-pole, 133Hz)1887 Haselwander 3상 교류발전기 개발(2.2kW) 1888 Schalenberger magnetic disc energy meter 개발1889 Tesla 다상 유도전동기 특허1890 Stilwell 60Hz 주파수를 제안

전기기계및전력전자 Lab.

1890 Dobrowolsky 농형회전자(squirrel-case winding) 1891 Brooks 변압기 기름(transformer oil)1893 Westinghouse 3상 alternators(2상, 5000HP, 2200V,25Hz)

- 나이아가라폭포에 설치1895 Scott T 결선법 제시1904 Ilgner 일그너 시스템(Ilgner system) 제안

(AC Ward Leonard system)1910 Alexanderson 교류발전기 개발1913 Meyer, Delius AC polyphase brush shifting commutator

교류계통의 발전사

< 본 자료는 수업자료로써 책 Electric Machinery Fundamentals (4th – Stephen J. Chapman)의 그림이 이용되었음 >