KR0147932B1 - 교습용 동력기계 실험장치 - Google Patents

교습용 동력기계 실험장치

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KR0147932B1 KR1019950002790A KR19950002790A KR0147932B1 KR 0147932 B1 KR0147932 B1 KR 0147932B1 KR 1019950002790 A KR1019950002790 A KR 1019950002790A KR 19950002790 A KR19950002790 A KR 19950002790A KR 0147932 B1 KR0147932 B1 KR 0147932B1
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Abstract

본 발명은 일반 전기 공급의 기본이라 할 수 있는 발전기 및 전동기의 취급 및 사용에 대한 여러 가지 특성 실험을 통해 기초로부터 점진적으로 이해하고 학습할 수 있는 동력기계 교육 장치(electric machine control device)에 관한 것으로, 동력기계 교육 장치의 기본 유니트(unit)와 각종 단상, 3상 전동기 및 발전기, 동력계(dynamometer)로 구성하고, 전동기와 발전기는 과부하로부터 보호하는 열동 계전기(thermal relay)에 연결하여 기본 유니트 상단에 장착하고, 기본 유니트 제어반 중간에는 각각의 실험에 필요한 단자에 그레픽(Graphic) 보드를 장착할 수 있는 바나나 잭 단자군을 설치하여 결선이 쉽고 실험하는데 편리하도록 함으로써, 일반 전기 공급의 기본이라 할 수 있는 발전기 및 전동기에 대한 취급 및 그 기능을 알기 쉽게 교육하여 전기, 전자 공학도는 물론 초심자에게도 기초 전기 물리현상에서부터 전기 응용회로까지 다양하면서도 손쉽게 실험, 실습할 수 있어 학습 효과를 크게 증진시키도록 한 것이다.

Description

교습용 동력기계 실험장치
제1도는 본 발명에 따른 교습용 동력기계 실험장치 시스템의 블록도.
제2도는 본 발명에 따른 시스템의 제어반에 고정되는 제1실시예의 결선 모의 판넬(Graphic Bord).
제3도와 제4도는 제2도 결선 모의 판넬의 결선 회로도.
제5도는 본 발명에 따른 시스템의 제어반에 고정되는 제2실시예의 결선 모의 판넬(Graphic Bord).
제6도는 제5도 결선 모의 판넬의 결선 회로도.
제7도 내지 제10도는 부하(Torque)에 대한 속도, 효율, Slip, 전류와의 관계를 나타낸 선도.
제11도는 본 발명에 따른 시스템의 제어반에 고정되는 제3실시예의 결선 모의 판넬(Graphic Bord).
제12도는 제11도 결선 모의 판넬의 결선 회로도.
제13도는 속도와 부하(Torque)의 관계를 나타낸 선도.
본 발명은 일반 전기 공급의 기본이라 할 수 있는 발전기 및 전동기의 취급 및 그 기능에 대한 여러 가지 특성 실험을 통해 기초로부터 점진적으로 이해하고 학습할 수 있는 교습용 동력기계 실험장치(electric machine control device)를 제공함에 있다.
최근에는 기계 문명이 고도로 발달함에 따라 산업 사회에서는 물론 일상 생활에 이르기까지 사용목적에 따라 크고 작은 여러 종류의 전동기가 널리 이용되고 있다.
따라서 기기의 사용이 증가되고 그 사용빈도가 많아짐에 따라 일반 전기 공급의 기본이라 할 수 있는 발전기 및 전동기의 취급 및 그 기능에 대한 교육이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.
이에 본 출원인은 일반 전기 공급의 기본이라 할 수 있는 발전기 및 전동기에 대한 취급 및 사용법을 알기 쉽게 교육하여 전기, 전자 공학도는 물론 초심자에게도 기초 전기 물리현상에서부터 전기 응용회로까지 다양하게 실험, 실습할 수 있는 교육 장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 동력기계 장치의 기본 유니트(unit)와 각종 단상, 3상 전동기 및 발전기, 동력계(dynamometer)로 구성하고, 전동기와 발전기는 과부하로부터 보호하는 열동 계전기(thermal relay)에 연결하여 기본 유니트 상단에 장착하고, 기본 유니트 제어반 중간에는 각각의 실험에 필요한 단자에 그레픽(Graphic) 보드를 장착할 수 있는 바나나 잭 단자군을 설치하여 결선이 쉽고 실험하는데 편리하도록 한 것이다.
본 발명은 교습용 동력기계 실험장치는 표시등과 연결된 3Φ 주 절연 스위치(S3)와, 시스템에 전원을 공급하는 가변 전압 공급부(V1,V2) 및 직류공급부(V3)와, 상기 가변 전압 공급부(V1,V2)의 출력을 단속하는 절연 스위치(S1,S2)와, 모터의 회전속도를 표시하여 전기적 신호로 변환시키는 회전속도 표시부(V4) 및 마그네틱 픽업부(MP)와, 상기 회전속도 표시부(V4)에 전류를 공급하는 AC 전류계(M6)로 이루어지는 전압 및 전류공급 시스템과, 발전기부하를 제어하는 발전기부하 제어부(C1)와, 외부 회로사이의 전력을 수수하는 저항을 가지는 Slipring회전자 저항 3단 스위치(S4)와, 회전수(rpm)를 제어하는 저항을 가지는 속도제어부(C4)와, 분권계자에서 전류를 정류하거나 직권 DC발전기 대한 부하로서 이용되는 분권계자 정류부(C3)와, Slipring 회전자의 와전류 브레이크(Eddy Current Brake)를 제어하는 Brake/회전자 제어부(C2)와로 이루어지는 제어 시스템과; 좌,우에 AC, DC 머신 커넥터(①,②,③,④)가 구비되고, 상기 전압 및 전류공급 시스템과 제어 시스템이 연결되어 결선 모의 판넬을 고정하도록 된 제어반; 으로 구성하고 있는 것이다.
또한, 본 발명은 실험에 필요한 모든 전원(단상, 3상 AC, DC)을 고정 또는 가변할 수 있도록 내장하여 별개의 스위치와 가변기로 선택 사용할 수 있도록 한다.
그리고 기본 유니트에 장착되는 전동기와 발전기를 연결하는 커플링(Coupling)부분은 덮개를 형성하여 커버링하여 상기 덮개가 없으면 가동이 되지 않도록 안전장치를 부가하였으며, 상기 커플링에는 회전속도 검출용 근접센서를 설치하여 최고 4,000rpm까지 측정할 수 있게 하였다.
제동기는 멀티 콘넥터로 기본 유니트에 접속시켜 전기 기기의 부하를 연속적으로 조정할 수 있게 하였다.
DC 발전기식 제동기로 토오크(Torque)를 조절할 수 있도록 하며, 상기 토오크는 디지탈 디스프레이(DISPLAY)로 나타내어 원하는 값을 직접 확인하여 조정하도록 하였다.
또한 토오크는 로드 셀(LOAD CELL)에 의해 발전기식 제동기로 검출되며, 검출된 양은 연산회로를 거쳐 X-Y RECORDER의 입력 시그날(Singnal)이 되는 동시에 A/D 변환하여 디지탈로 디스프레이되게 하고, 전원은 대지로부터 절연되어 있고 기본 유니트와 각각의 전기 기기들은 바나나 잭으로 결선하였다.
이하, 첨부된 예시 도면을 참고하여 본 발명에 따른 교습용 동력기계 실험장치를 통해 알 수 있는 여러 가지 실험을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
[실시예 1]
·실험목적
-모터의 회전 방향 변경을 실습한다.
·실험에 필요한 관련지식
-3상 유도 모터의 회전 방향을 바꾸기 위해 자기장의 회전방향을 바꿀 필요가 있다. 이는 고정자 권선에 연결된 3Φ 전원 공급선의 결선중 2개를 반대로 결선하면 된다.
-회전자의 전류는 고정자 emf에 따라 emf를 생성하게 되며 방향은 반대가 되고 회전자는 고정자 자장의 방향으로 움직이게 된다.
·실험순서
-첨부도면 제2도에 도시한 바와 같이 시스템의 제어반에 고정되는 결선 모의 판넬(Graphic Bord)을 제3도와 같이 결선 회로도를 구성한다.
-표시등과 연결된 주 절연 스위치(S3)를 ON위치로 하고, 콘트롤 ON버튼을 누르고 모터의 회전 방향을 관찰한다.
-상회전계의 CHECK버튼을 눌러 위상계의 회전방향을 기록한다.(시계방향)
-콘트롤 OFF버튼을 누른다.
-시스템의 제어반에 고정되는 결선 모의 판넬(Graphic Bord)의 결선을 제4도에 도시한 바와 같이 회로의 결선을 바꾼다.
-콘트롤 ON버튼을 눌러 모터의 회전 방향이 바뀜을 관찰한다.
-상회전계의 CHECK버튼을 다시 눌러 위상계의 회전방향이 바뀜을 확인한다.
-실험을 끝마친 후에는 콘트롤 OFF버튼을 누르고 표시등과 연결된 주 절연 스위치(S3)를 OFF위치에 놓는다.
·실험 결과
-본 실험에서는 3Φ의 3선중 어떤 2개의 결선을 반대로 하면 모터의 회전방향을 바꿀 수 있음을 확인하였다.
[실시예 2]
·실험목적
-모터의 속도, 구동전류, Power정수와 효율이 모터에 의해 생성된 토오크에 어떤 관계가 있는지 알아 본다.
·실험에 필요한 관련지식
-Squirrel Cage 유도 모터와는 달리 Slipring 모터는 권선 회전자를 갖고 있다.
-회전자 권선은 스타 결선된 스위칭 가능한 저항의 Bank에 Slipring과 브러쉬로 연결되도록 결선한다.
-고정자는 3Φ 220V 전원공급기에 연결되어 있고 회전 자기장을 설정하게 된다.
-회전자 전도체는 회전 자기장에 의해 끊겨 저항을 통하여 순환하는 회전자 전류를 생성한다.
-회전자 전류는 고정자 emf로 emf를 생성하고 그것에 반대 방향이 되며 회전자가 고정자 자계 방향으로 움직이는 원인이 된다.
-기동 토오크는 대단히 높다.
·회전자 저항 시동
-Slipring 모터는 받아들이기 어려운 토오크와 전류 Peak 때문에 On Step으로 시동할 수 없다.
-고정자에 주전원이 공급되는 동안 저항은 미리 설정된 시간 후에 점진적으로 단락되어지는 회전자 회로에 삽입되어진다.
-저항값의 계산은 토오크대 속도곡선으로 결정한다.
-주어진 토오크에 대해서 저항이 높으면 높을수록 기기의 속도는 낮아진다.
-전류는 출력 토오크에 비례한다.
-Slipring 모터는 회전자 저항이 회전자 리액턴스와 같아질 때 생긴다.
-저속에서(리액턴스가 작을 때) 회전자 저항은 높고 최대 토오크를 얻을 수 있다.
-Slipring 모터의 효율은 브러쉬 기어와 회전자 권선에서 생기는 마찰과 유극으로 인하여 Squirrel Cage 유도 모터 보다 나쁘다.
-회전자 회로에서의 저항을 증가시킴으로서 모터의 Slip을 속도제어의 방법으로 하여 증가시킬 수 있다.
·실험순서
-모터와 브레이크를 설치하고 제어반에 제5도의 결선모의 판넬(그레픽 보드)를 고정하여 제6도와 같은 회로를 구성하여 모든 가변 요소는 최소값에 위치하도록 하고, Slipring 회전자 저항 선택 3단 스위치(S4) '1위치(최대저항값)에서 3위치에(무저항)에 놓는다. 첨부도면에 있어서, M1,M2는 0∼300V의 AC/DC 전압계와 0∼5A의 AC 전류계이고 M9은 0∼90V의 AC/DC 전압계를 의미하고 있다.
-표시 등에 연결된 주절연 스위치(S3)를 ON위치에 놓고 적색등이 켜져 제어반에 전원이 들어오는 것을 확인한다.
-Brake/회전자 제어부(C2)를 시계 방향으로 돌려 부하를 없앤다.
-Brake/회전자 제어부(C2:시계방향은 Eddy Current Brake 또는 Slipring 회전자의 전력을 올려준다)를 최대 반시계 방향으로 조정한 다음 콘트롤 ON버튼을 눌러 모터를 기동시킨다.(이때 이상이 있으면 기기의 기계적인 결함을 점검하고 수정할 것)
-Brake/회전자 제어부(C2)를 조정하여 브레이크 지시가 0.5Nm가 되도록 한다(실험을 시작하기 전 5분∼10분 동안 기기를 동작시켜 안정되게 한다.)
-Brake/회전자 제어부(C2)를 최대 반시계 방향으로 돌려 부하를 증가시키면서 모터속도, 입력전압, 입력전류와 입력파워를 차례로 기록한다.
-토오크를 0.1씩 증가시키면서 측정결과를 기록한 다음 측정결과를 계산하여 일정한 그래프를 그린다.
이때 정확한 결과를 얻기 위해 부하는 한 방향으로 단계적으로 증가시키고, 지정된 토오크 표시를 초과하면 부하를 0으로 감소시키고 다시 실행하고 실험하는 동안 부하의 증감은 지시값의 정확도에 영향을 줄 수 있다.
-실험이 끝나면 모든 가변제어 요소를 최소위치로 복귀시킨다.
·실험결과
-제7도에서와 같이 부하(Torque)에 대하여 속도는 정격출력이 달성될 때까지 점차적으로 감소되는 반면 기기의 정격출력이 넘으면 속도는 기기가 정지할 때까지 급격히 감소함을 알 수 있었다.
-제8도에서와 같이 부하(Torque)에 대하여 효율은 총부하 또는 그 이상에서 최대로 증가하고, 보다 높은 부하에서 I2R 손실은 효율이 떨어지는 원인이 되는 출력보다 빨리 증가되는 반면 권선과 브러쉬 기어로 발생되는 마찰과 유극 손실 때문에 효율은 Squirrel Cage 모터 보다 더 낮아진다.
-제9도와 같이 토오크(Torque)는 Slip에 비례하고 부하 토오크의 증가는 Slip의 증가와 거의 비례하고, 제10도와 같이 전류는 토오크와 직접적으로 비례함을 알 수 있었다.
[실시예 3]
·실험목적
-유니버살 모터의 속도, 구동 전류와 효율이 AC 전원에서 모터에 의해 생성된 토오크와 어떤 관계를 갖는지 알아본다.
·실험에 필요한 관련지식
-유니버살 모터는 AC 또는 DC 전원으로 동작시킬 수 있는 직권모터이다.
-아마추어와 계자는 직렬로 결선되어 있으며 이중 역할을 하므로 복권모터를 유니버살 모터라고 부른다.
-유니버살 모터는 AC와 DC에서 같은 능률을 갖지 않는다.
-복권모터의 속도는 가감저항기로 넓은 범위에서 걸쳐 조정된다.
-무부하 속도는 빠르며 모터 자신의 마찰과 간극으로 제한된다.
-이 모터는 일정속도 유지가 안된다. 부하를 증가시키면 속도가 감소되고 부하를 감소시키면 속도는 빨라진다.
-속도변경은 아마추어와 계자가 직렬 결선되어 있으므로 명백해진다.
-부하가 증가되면 모터는 부하를 유지시키기 위해 더 많은 전류를 흐르게 하여 속도는 떨어지게 되며, 전류의 증가는 자장의 세기를 증가시키고, 결과적으로 이러한 변화를 보상하기 위해 속도가 떨어짐을 알 수 있다.
-자장과 아마추어 세기의 동시 변화는 이들이 항상 균형을 이루고 있는 한 원하는 효과를 얻게 된다. 이 효과는 직접적으로 탁월한 시동 토오크에 영향을 준다.
-모터는 부하를 없애면 위험할 정도로 고속 동작되므로 모터는 부하를 걸고 동작시켜야 한다.
·실험 순서
-.시스템에 모터와 브레이크를 설치하고 결선 모의 판넬(제11도 참조)를 제어반에 설치하여 제12도와 같이 결선되는 회로를 가지도록 구성하고 표시등과 연결된 주 절연 스위치(S3)를 ON 위치로 Brake/회전자 제어부(C2)를 최대 반시계 방향으로 조정한 다음 콘트롤 ON버튼을 누르고 녹색지시등이 켜지며 모터가 기동되는 것을 확인한다. 첨부도면에 있어 M3는 0∼300V의 AD/DC 전압계를 의미하고 있다.
이때 주의할 점은 모터의 기동시 이상진동이 있으면 기계 결함부를 점검하고 필요하다면 최소진동이 되도록 조절하고 결선오류는 기기에 치명적인 손상을 줄 수 있으므로 특별히 점검한다.
-.Brake/회전자 제어부(C2)를 조정하여 브레이크 지시가 0.5Nm가 되도록 한다(실험을 시작하기 전 5분∼10분 동안 기기를 동작시켜 안정되게 한다.)
-.Brake/회전자 제어부(C2)를 최대 반시계 방향으로 돌려 부하를 없애고, 가변 전압 공급기(V1)으로 공급전압 250V가 되도록 설정한다.
-.Brake/회전자 제어부(C2)를 시계방향으로 돌려 부하를 서서히 증가시키면서 모터속도, 입력전압, 입력전류와 파워(Power)를 기록한다.
-.토오크를 0.1씩 증가시키면서 측정결과를 기록한다.
이때 정확한 결과를 얻기 위해 부하는 한 방향으로 단계적으로 증가시킨다.
-.실험이 끝나면 모든 제어 요소를 최소위치로 복귀시킨다.
·실험 결과
-제13도에 도시하고 있는 바와 같이 속도는 부하(Torque)가 가해지면 빠르게 감소됨을 알 수 있었다.
이와같이 본 발명에 따른 교습용 동력기계 실험장치는 유도전동기에 있어서 단상유도 전동기의 기동, 단상유도 전동기의 정·역운전, 단상유도 전동기의 부하특성, 3상 유도전동기의 기동, 3상 유도전동기의 Y-△ 결선, 3상 유도전동기의 정·역운전, 3상 유도전동기의 슬립(SLIP), 3상 유도전동기의 부하특성, 3상 유도전동기의 역률 측정, 3상 유도전동기의 회전자특성, 교류정류자 전동기의 특성 등을 측정 실험할 수 있으며, 동기기에 있어서는 3상동기 발전기의 무부하, 단락실험, 3상동기 발전기의 부하 운전, 3상 동기 전동기 기동, 3상 동기 전동기 위상, 부하특성 등의 측정 실험이 가능하고, 직류기에 있어서는 분권 전동기 기동 및 속도제어, 분권 전동기 무부하 특성, 분권(복권) 전동기 부하특성, 분권(복권) 발전기부하특성, 손실 분리법에 의한 분권전동기 효율측정, 직류전동기의 정·역운전 등이 실험을 통해 이해하고 학습할 수 있어 학습 효과를 크게 증진시킬 수 있는 이점을 가진다.
이상에서와 같이 본 발명은 기본 유니트(unit)와 각종 단상, 3상 전동기 및 발전기, 동력계(dynamometer)로 구성하고, 전동기와 발전기는 과부하로부터 보호하는 열동 계전기(thermal relay)에 연결하여 기본 유니트 상단에 장착하고, 기본 유니트 제어반 중간에는 각각의 실험에 필요한 단자에 그레픽(Graphic) 보드를 장착할 수 있는 바나나 잭 단자군을 설치하여 결선이 쉽고 실험하는데 편리하도록 함으로써, 일반 전기 공급의 기본이라 할 수 있는 발전기 및 전동기에 대한 취급 및 그 기능 등을 알기 쉽게 교육하여 전기, 전자 공학도는 물론 초심자에게도 기초 전기 물리현상에서부터 전기 응용회로까지 다양한 여러 가지 특성 실험을 통해 기초로부터 점진적으로 이해하고 학습할 수 있어 학습효과를 크게 증진시키도록 한 것이다.

Claims (1)

  1. 표시등과 연결된 3Φ 주 절연 스위치(S3)와, 시스템에 전원을 공급하는 가변 전압 공급부(V1,V2) 및 직류공급부(V3)와, 상기 가변 전압 공급부(V1,V2)의 출력을 단속하는 절연 스위치(S1,S2)와, 모터의 회전속도를 표시하여 전기적 신호로 변환시키는 회전속도 표시부(V4) 및 마그네틱 픽업부(MP)와, 상기 회전속도 표시부(V4)에 전류를 공급하는 AC 전류계(M6)로 이루어지는 전압 및 전류공급 시스템과, 발전기부하를 제어하는 발전기부하 제어부(C1)와, 외부 회로사이의 전력을 수수하는 저항을 가지는 Slipring회전자 저항 3단 스위치(S4)와, 회전수(rpm)를 제어하는 저항을 가지는 속도제어부(C4)와, 분권계자에서 전류를 정류하거나 직권 DC발전기 대한 부하로서 이용되는 분권계자 정류부(C3)와, Slipring 회전자의 와전류 브레이크(Eddy Current Brake)를 제어하는 Brake/회전자 제어부(C2)와로 이루어지는 제어 시스템과, 좌,우에 AC, DC 머신 커넥터(①,②,③,④)가 구비되고, 상기 전압 및 전류공급 시스템과 제어 시스템이 연결되어 결선 모의 판넬을 고정하도록 된 제어반으로 이루어지고, 전동기와 발전기는 과부하로부터 보호하는 열동 계전기(thermal relay)에 연결하여 기본 유니트 상단에 장착하고, 기본 유니트 제어반 중간에는 각각의 실험에 필요한 단자에 그레픽 보드를 장착할 수 있는 바나나 잭 단자군을 설치하여 결선이 쉽고 실험하는데 간편하도록 한 교습용 동력기계 실험장치.
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