안녕하세요. 저번 글에 이어 전동기 발전기에 중요한 개념으로 작용하는 무부하 상태와 전부하 상태에 대해서 다뤄보겠습니다. 위 개념들은 배움으로써 전동기와 발전기, V 곡선의 심화 내용을 이해하는 데에 도움이 될 것입니다. 그럼 함께 알아볼까요?
✅ 1. 무부하 상태 (No Load Condition)
무부하 상태는 말 그대로 아무 부하도 연결되지 않은 상태를 말합니다.
예를 들어, 전동기가 돌긴 도는데 돌려야 할 기계나 장비가 아무것도 없거나,
발전기가 돌아가고 있지만 전기를 소비하는 기기(부하)가 없는 경우가 이와 같습니다.
무부하 상태는 부하가 없기 때문에 출력 전력은 거의 0에 가깝습니다.
그러나, 전동기는 회전하고 있고 발전기는 전압을 만들고 있는 상황입니다.
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전동기는 회전 중, 발전기는 전압을 만들고 있는데 어떻게 출력 전력은 0에 가까운 것인가...
이를 이해하기 위해서는 전력의 정의를 짚고 넘어가야 합니다.
우선 핵심은,
출력 전력 = 실제로 '외부'로 전달되는 에너지.
출력 전력은 단순히 기기가 움직이고 있다거나 전압이 있다는 이유만으로 생기는 것이 아닙니다.
⚡ 출력 전력 = 전압 × 전류 × 역률 (P = V × I × cosθ)
이 중 전류가 실제 부하로 흘러가야 외부에 "전달"되는 것입니다. 이게 핵심입니다.
정리하면, 무부하 상태에선 기기가 돌아가거나 전압을 만들 수는 있지만, 외부에 일을 하지 않기 때문에 출력 전력이 0에 가깝다.
그럼 다시 전동기와 발전기 관점으로 넘어가보겠습니다.
1. 전동기 (Motor)
- 회전은 하고 있지만, 아무 기계나 부하를 돌리지 않고 있음 → 일을 안 하고 있다.
이때 소모되는 전류는 거의 다 마찰, 손실 보상용(예: 철손, 마찰손, 소손 등)
즉, 실제로 외부 기계에 힘을 전달하지 않고 있으므로 출력 전력은 거의 0입니다.
2. 발전기 (Generator)
- 전압을 만들고 있지만, 부하가 없다 → 전류가 안 흐른다.
다시 말해서 아무도 전기를 안 쓰고 있고, 그러므로 출력 전력이 거의 0에 가까운 상태입니다. (전압은 있어도 전류 x 0 = 0)
✅ 쉬운 비유
1. 전동기: 운동장에 혼자서 런닝머신을 돌리는 데, 전기는 사용하므로 모터는 돌지만, 아무것도 밀고 있지 않습니다.
→ 에너지는 거의 소비되지 않으므로 출력 전류 ≒ 0
2. 발전기: 수도꼭지(발전기)는 열렸는데, 수도 호스(부하)가 연결되어 있지 않아 물(전류)이 안 흐릅니다.
→ 압력(전압)은 있지만 물이 안 나오니 에너지 전달이 안되고 있습니다. 출력 전류 ≒ 0
다시 말해서 무부하 상태에선 기기가 돌아가거나 전압을 만들 수는 있지만,
외부에 일을 하지 않기 때문에 출력 전력이 0에 가까운 것입니다.
✅ 2. 전부하 상태 (Full Load Condition)
전부하 상태는 기기가 낼 수 있는 최대 출력으로 동작 중인 상태를 말합니다.
에를 들어, 전동기가 정격 토크를 출력하며 기계를 돌리고 있거나
발전기가 정격 전류 또는 정격 전력을 전부하에 공급 중인 상태를 말합니다.
여기서 핵심은
1. 기기는 최대 성능으로 일을 하고 있다.
2. 출력 전력 = 정격 전력
3. 전류, 전압, 역률 등도 모두 정격 조건에 가깝다.
4. 이 상태에서 기기의 효율, 발열, 진동 등을 평가합니다.
정격 토크, 정격 전류, 정격 전력에서 정격이란 무슨 뜻일까요?
정격이란 기기가 안전하고 효율적으로 사용할 수 있는 최대 조건을 말합니다.
말 그대로 해석해보면 '정해진 등급', 즉 제조사가 보증하는 정상적인 운전 조건이라고 생각하시면 됩니다.
쉽게 말하면 기계를 오래 사용하고, 과열이나 고장 없이 안정적으로 돌릴 수 있는 권장 사용 한계라고 보시면 됩니다.
그럼 정격을 초과해서 사용하면 어떻게 되냐?
당연히도 권장 사용 한계를 초과해서 사용했으므로 기기가 열 받거나, 망가지거나, 수명이 짧아질 수 있습니다. (과부하, 과열, 수명 단축 등의 위험)
그럼 이전 글인 동기 전동기의 위상 특성 곡선 (V곡선)에서의 무부하 상태과 전부하 상태를 보겠습니다.
일단 동기 전동기가 무부하로 운전하게 되면 동기 조상기로 사용됩니다.
동기 조상기는 리액터와 콘덴서의 두 가지 역할이 가능한 기기로, 역률을 조정하는 기기입니다.
계자 전류를 조정하여 진상 및 지상 무효 전력을 자유롭게 조정 가능하여 역률을 개선하는 데 사용되는 조상 설비입니다.
동기 전동기가 무부하로 운전할 때 계자 전류, 즉 여자 전류의 증가 감소에 따라 전기자 전류에 어떤 변화가 있는지 여자 전류와 전기자 전류 간의 관계를 보여주는 것을 위상특성곡선, V 곡선이라고 했습니다. (조건: 전압과 부하가 일정할 경우)
이전 글에서 여자 전류가 감소하면 지상 전류 → 지상 역률이 되고,
여자 전류가 증가하면 진상 전류 → 진상 역률이 된다는 것을 보았을 것입니다. (전기자 전류가 최소인 지점이 역률이 1)
그래프에 제가 빨간 글씨로 써놓은 것처럼, 부하가 클수록 (=출력이 클수록) 곡선은 위로 향합니다.
부하가 크다는 것은 부하 전류가 크다는 것이고, 부하 전류가 크다는 것은 전기자 전류가 크다는 것,
그렇다면 세로축으로 시작점이 올라간다는 뜻입니다.
전동기에서 부하란, 전동기가 돌려야 하는 기계적인 하중을 말합니다.
펌프, fan, 컨베이어 벨트 등이 그 예이며, 실제로 동력을 전달하는 대상을 말합니다.
부하가 크면 전동기는 더 많은 토크(힘)을 내야 합니다.
따라서 동기 전동기의 위상특성곡선(V 곡선)에서 무부하와 전부하는 부하 조건에 따른 전동기의 특성 차이와 출력의 관계를 보여주고 있습니다.
출력 P1 < P2 < P3
이번 글을 통해 전동기와 발전기에서 중요한 개념인 무부하 상태와 전부하 상태란 무엇인가에 대해 쉽게 설명하고 이해하는 시간을 가졌습니다. 그리고 이전 글에 이어서 동기 전동기의 위상 특성 곡선에서의 무부하 상태, 전부하 상태의 출력 곡선의 의미에 대해서도 알아보았습니다. 전기기기의 동기 전동기, 그리고 위상특성곡선에 대해 조금이라도 이해가 되셨길 바라며 글을 마치겠습니다. 그럼 모두 좋은 결과 있으시길 바라겠습니다.ㅁ
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