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[대체에너지]바이오발전 평가A좋아요

1. 대체에너지의 필요성에너지의 대부분을 수입에 의존하는 우리나라에서는 에너지 수입 의존도를 최대한 감소시킬 수 있는 장기적인 에너지 수급 정책과 청정 대체에너지 개발이 필수적이다. 바이오매스는 화석연료의 고갈과 환경오염에 대한 우려를 해소할 수 있는 대체에너지의 한 분야로 주목받고 있다. 온실가스 배출 증가율이 높기 때문에 교토의정서에 따라 2013년부터 이산화탄소 발생량을 줄여야하는 우리나라는 화석연료의 사용을 줄이고 폐기물로 처리되는 막대한 바이오매스 이용이 필요하다.2. 바이오메스(biomass) 에너지바이오매스는 원래 생태학의 용어로서 생물량 또는 생체량이라고 번역되어 있다. 이것은 살아 있는 동물 식물 미생물의 유기물량(보통 건조중량 또는 탄소량으로 표시)을 의미한다. 따라서 생태학의 용어법에서는 나무의 줄기 뿌리, 잎 등이 대표적인 바이오매스이며 죽은 유기물인 유기계 폐기물(폐재, 가축의 분뇨 등)은 바이오매스가 아니라고 할 수 있다. 그러나 이와 같은 생태학의 용어법과는 달라서 산업계에서는 유기계 폐기물도 바이오매스에 포함시키는 것이 보통이다.즉, 태양광을 이용하여 광합성되는 유기물(주로 식물체) 및 동 유기물을 소비하여 생성되는 모든 생물 유기체(바이오매스)의 에너지를 바이오에너지라 하며 이들 자원에서 파생되는 종이, 음식찌꺼기 등의 유기성폐기물도 포한다.바이오매스 자원은 재생이 가능하며 또 광역분산형의 자원으로서 지역 에너지원으로서 주목되고 있다. 에너지원으로서의 바이오매스의 장점은 에너지를 저장할 수 있다는 점, 재생이 가능하다는 점, 물과 온도조건만 맞으면 지구상 어느 곳에서나 얻을 수 있다는 점, 최소의 자본으로 이용기술의 개발이 가능하다는 점, 그리고 원자력의 이용 등과 비교할 때 환경 보전적으로 안전하다는 점 등이다.한편, 단점으로서는 넓은 면적의 토지가 필요하다는 점, 토지 이용 면에서 농업과 경합한다는 점, 자원 부존량의 지역차가 크다는 점, 비료, 토양, 물, 그리고 에너지의 투입이 필요하다는 점, 문란하게 개발하면 환경파괴를 하거나 가스화하여 숯이나 가연성가스 등을 얻는 열화학적 방법과 염기성 발효를 하여 메탄가스를 얻거나 당화하여 에탄올과 같은 고급 액체연료를 얻는 생물학적 방법으로 대별 할 수 있다.바이오매스의 직접연소는 바이오매스의 용도 중에서 가장 저위의 것이다. 그러나 오늘날세계 연간 에너지공급량의 1/6은 바이오매스로부터 이며 벌채된 수목의 약 절반이 요리용과 난방용으로 이용되고 있는 것도 사실이다.{자 원방 법생 산 물건조 바이오매스(목재, 폐재 등)직접연소 가스화열, 전기, 가스연료, 메탄올, 암모니아, 기름, 가스, 목탄함수 바이오매스(분뇨, 폐액, 수초)탄수화물(당분, 전분, 셀룰로오스)혐기성 발효, 화학적 분해메탄, 에탄올에너지 식물 바이오매스, 물추출, 분해 광합성반응탄화수소, 유지 수소고형연료는 가장 오래된 이용방법이지만 연료의 균질성과 에너지 밀도가 높고, 취급이 용이하다는 점 등에서 보면 연료의 유체화 쪽이 이점이 많다. 그러기 위해서 여러 가지 전환기술이 개발되어 있는데 가장 보급되어 있는 것이 알콜화(액체화)와 메탄의 생성(가스화)이다.바이오매스는 다소간의 수분을 포함하며 유기계 폐기물 중에서도 분뇨, 폐액 등은 특히 수분이 많다. 이 수분을 증발시키려면 대량의 에너지가 필요하다. 그러나 메탄의 발효는 물을 포함하는 유기물로부터 연료에 해당되는 부분을 기체의 형태로 농축, 분리할 수가 있기 때문에 분리 그 자체에는 에너지가 필요하지 않다. 또 알콜 발효에서는 물보다 비등점이 낮은 알콜을 증류, 분리하기 때문에 물을 증발시키는 것보다는 에너지 절약적 이다. 특히 메탄의 생성에는 많은 돈이 필요하지 않으므로 중국에서는 1970년대에 많은 바이오가스 시설을 건설하여 1979년에는 700만개소가 가동되었다고 한다.이와 같이 바이오매스를 변환하여 바이오에너지와 화학연료, 재료 등을 얻는 바이오에너지 기술은 인류의 역사와 함께 해왔고, 바이오에너지는 인류가 불을 사용한 이래 오늘날의 화석연료와 원자력이 등장하기 전까지 그야말로 제 1의 에너지원의 자리를 지켜온 이용하기도 하고 있다. 이들 원료를 이용하여 알칼리 촉매 존재 하에서 에스테르화 반응을 시키고 부산물인 글리세롤을 정제하면 경유와 비슷한 균질상 지방산 에스테르, 즉 바이오디젤이 생성된다.바이오디젤의 경우 석유계 디젤에 비해 각종 대기오염 물질의 배출이 현저히 적으며, 기존의 디젤엔진 기관을 개조없이 그대로 사용 가능하다는 장점이 있다. 다만, 바이오디젤의 경우 저온 시동성이 떨어진다거나 다소 점도가 높아서 추운 날씨에서 연료공급 라인이 막힌다든지 하는 문제점이 있을 수 있으나 지역과 기후에 따라 바이오디젤 제품 특성을 달리함으로서 기술적으로 극복 가능한 것으로 알려져 있다.현재 바이오디젤은 디젤자동차의 경유에 혼합해서 쓰거나, 100% 순수 연료로 사용되고 있는데, 미국 유럽연합(EU) 등에서는 이미 품질기준이 마련되어 있다. 자동차 연료용 외에 난방연료용으로도 개발되어 있고, 한국에서도 경유에 바이오디젤을 섞은 연료가 판매되고 있다.(2) 바이오 에탄올 (bio-ethanol)술을 제소하는 공정에서와 마찬가지로 당을 함유하고 있는 작물을 효모나 박테리아 등의 미생물로 발효시켜 에탄올을 생산한다. 바이오매스로부터 얻어진 에탄올은 휘발유와 혼합연료의 형태, 산화물의 혼합연료 혹은 수화에탄올로 기존의 내연기관에 거의 완벽하게 사용될 수 있으며, 공연비(Air/Fuel ratio)를 낮게 유지할 수 있으며, 증발잠열이 높고, 옥탄가가 높으며 화염온도는 낮다는 등의 수송용 대체연료로서 아주 우수한 특성을 갖고 있다.가장 널리 사용되는 바이오에탄올의 원료는 사탕수수이다. 사탕수수가 많이 생산되는 브라질에서는 차량의 70% 정도가 바이오에탄올을 연료 첨가제로 사용할 만큼 일반화되었다. 바이오에탄올을 차량 연료 첨가제로 사용할 경우, 휘발유만 사용할 때보다 일산화탄소 배출량이 훨씬 줄어드는 것으로 확인되었다.(3) 바이오 가스음식물쓰레기, 가축분뇨, 하수 슬러지, 식품산업 폐기물 등 수분함량이 높고 불균일한 유기성 슬러지는 증발잠열이 높으므로 열화학적 처리에는 부적합하변환되고, 마지막 3단계에서는 지질 특이성이 강한 메탄생성 미생물에 의하여 메탄과 이산와탄소로 분해되는 것이다. 한편, 중간생성물인 아세트산과 수소는 각각 Methanosarcina 혹은 Methanosaeta의 대사에 의하여 메탄으로 분해되고, 수소는 여러 종류의 보효소가 관련된 C1 대사경로에 의하여 이산화탄소를 환원하며 호밀 메타노후란(Formyl Methanofuran)을 거쳐서 메탄으로 환원된다.{ 그림 매탄발효의 메커니즘가축분뇨, 잉여 하수 슬러지, 각종 산업 유기성 폐수를 처리하며 생성된 바이오가스를 활용하는 메탄가스화 처리공정은 1930년대부터 현재까지 중국, 인도 등지의 농가에서부터 덴마크의 낙농단지, 우리나라의 식품공장 등에서 다양하게 적용되어 에너지를 공급하고 있으며 1974년 석유파동 이후에는 대부분의 나라에서 고농도 유기폐수 처리의 표준공정으로 자리잡고 있다.한편, 매립지 가스(LFG, Landfill Gas) 이용도 선진각국에서는 이미 오래 전부터 실용화되었고 최근에는 메탄가스의 온실효과(CO2의 20배 이상)가 알려지고 경제성이 인정되면서 우리나라에서도 개발이 급속히 추진되고 있다.1990년대 미국 및 EU는 매립장에서 발생하는 메탄가스(매립지가스, LFG)를 회수하여 에너지원으로 활용하는 공정을 상용화하였으며, 주로 대규모 매립장을 대상으로 설치하여 전기를 생산하고 있다.한편, 폐수가 아닌 폐기물의 혐기소화 처리 및 바이오가스화 기술은 비교적 최근에 실용화되었다. 1988년 프랑스의 아미엥시에 Valorga 공정이 준공된 이후 1996년까지 스랑스, 오스트리아, 벨기에, 독일, 스위스, 핀란드, 이탈리아, 네덜란드, 덴마크, 스웨덴, 영국 등의 유럽 국가와 인도, 캐나다, 미국 등지에 50개 정도의 유기성 폐기물 혐기소화 시설이 보급된 것으로 추산되고 있다. 음식물 쓰레기 혐기소화 처리시설의 기술 개발은 대부분 자국이나 자국 내의 설치 지역에서의 유기성 폐기물의 발생 상황, 수거 방법상의 특징들을 반영하여 각국에서 독자적으로 개발되태)에서 발효되며 발생하는 메탄가스를 이용하는 발전 방식이다. 이 방식은 종래에는 유기물 농도가 높은 축산 분뇨 폐수, 전분질 폐수 등을 혐기소화 처리할 때 발생하는 메탄가스를 이용하여 발전하는 것에 국한되었으나, 최근에는 유기성 고형 폐기물(음식 쓰레기 등)을 반응기 안에서 혐기 소화시킬 때 나오는 가스를 이용하거나(바이오가스 발전) 또는 이들을 매립하였을 때 발생하는 농도 50 70 %의 메탄가스를 이용하는(매립지 가스 발전) 방식도 보편화되고 있다.이 같은 바이오가스 발전이 최근 급속히 보급되고 있는 것은 먼저 바이오매스 자원은 이용되지 않을 경우 폐기물로서 주변 수계나 토양을 오염시킬 수 있기 때문이다. 따라서 이들 폐기물성 바이오매스 자원(축산 폐수, 음식 쓰레기, 폐지 등)은 재활용되거나 에너지로 재순환되지 않으면 폐기물로 환경 문제를 일으키게 된다. 또 다른 이유는 바이오매스 에너지를 이용하면 화석 연료와는 달리 대기 중의 CO2를 증가시키지 않고 순환되기 때문이다.즉, 바이오매스의 생장 기간 동안 CO2는 유기물로 고정화 되고 이를 연소시키거나 분해시키면 CO2가 방출되는 사이클이 반복되어 CO2보다 11배나 강력한 지구 온난화 물질인 대기 중의 메탄을 연소시켜 CO2로 방출하는 효과도 있다. (지구상의 유기물은 결국 장기간에 걸쳐 분해되면서 메탄을 발생시킨다.) 이와 같이 에너지원으로서 많은 장점을 가지고 있고 100여년전만 하더라도 지구의 주종 에너지였던 바이오매스는 다음과 같은 몇 가지 문제 때문에 그 독보적 지위를 석유에 내주었다.- 바이오매스 자원은 사람이 살 수 있는 곳에는 모두 분포되어 있으나 에너지 밀도가 낮아 이들의 채집에 많은 노력과 비용이 든다.- 자원의 종류가 다양하여(나무, 풀, 슬러지) 이용 기술이나 기기가 다양하게 요구되며 바이오매스는 취급이 불편한 저급의 에너지이다.그러나 이와 같은 해묵은 문제점은 화학공학과 생물공학의 발전으로 점차 해소의 가능성이 엿보이고 있다. 즉, 에너지 밀도가 낮은 문제는 대단위 계획 조림이나다.

공학/기술| 2006.09.08| 6페이지| 1,000원| 조회(783)

대체에너지, 바이오, 바이오매스, BIO, 바이오가스, 바이오발전, 바이오가스발전

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[전자기학]Maxwell의 방정식 평가A+최고예요

* Maxwell의 방정식Maxwell은 시간적으로 변하는 전계와 자계 및 그 상호 관계를 4개의 간단한 수식으로 표현하였으며, 또 전압 및 전류와 같은 전기회로의 스칼라 개념을 전계 및 자계와 같은 벡터계의 개념으로 전환시켰다. 그는 Gauss의 법칙, Faraday의 유도법칙, Ampere의 주회법칙과 자계원천의 특성 등 이전에 알려진 법칙과 변위전류라는 개념을 도입하여 전계 및 자계에 관한 4개의 방정식으로 조합하였다.정전계 이론에서 정지된 전하 Q에 의해 전계가 발생됨을 알았고 정자계이론에서는 도선전류 IC에 의해 자계가 발생됨을 알았다. 그러나 전자유도 현상으로부터 자계가 시간적으로 변하면 폐회로에 기전력이 유기되어 이로 인해 새로운 전계가 발생된다. 또한 변위전류 개념으로부터 전계가 시간적으로 변하면 변위전류가 생겨나 이로 인해 새로운 자게가 발생된다. 이를 정리하면 다음과 같다.{전자유도 : 자계의 시간적변화(H) 유도기전력(V) 전계발생(E)변위전류 : 전계의 시간적변화(E) 변위전류(Jd) 자계발생(H)이러한 사실로부터 시간적으로 변하는 전계와 자계 사이에는 서로 밀접한 관계를 갖고 있으며 이를 수식으로 나타낸 것이 Maxwell 방정식이다. 그러므로 Maxwell방정식은 전자파의 발생과정을 설명할 수 있는 중요한 이론적 배경을 제공한다.Maxwell 방정식은 미분현과 적분형으로 표현할 수 있으며 일반적으로 미분형이 주로 사용된다.{Maxwell 방정식{첫째 식은 Faraday 법칙으로부터 얻는 식으로 자계 변화에 의해 전계가 발생됨을 나타내며, 둘째 식은 Ampere 법칙으로부터 얻은 식으로 전계 변화에 의해 자계가 발생될 수 있음을 보여준다. 나머지 두 식은 보조 방정식이라 하며 Gauss법칙으로 얻는 식으로 전속밀도와 자속밀도의 발생 형태를 보여준다. 이제 각각의 식을 유도하고 그 의미를 살펴보자.* Faraday 법칙에 의한 유도식폐회로를 쇄교하는 자속이 시간적으로 변할 때 발생된 유도 기전력은{이 되고 폐회로에 유도되는 기전력은 또한 전계와의 관계로부터{로 표현할 수 있다. 여기서 Stokes정리를 이용하면 폐곡선적분을 면적분으로 나타낼 수 있다. 즉,{가 된다. 좌변의 폐곡선이 만든는 면적이 바로 우변의 면적분 대상이 된다. 그러므로 위의 두 식을 정리하면{{가 된다. 이 식은 Maxwell 방정식의 적분형이 되며 양변의 면적분은 모두 폐회로의 면적분을 나타내므로 서로 제거시키면 다음과 같은 미분형을 얻을 수 있다.{{{이 식은 자속밀도 또는 자계가 시간적으로 변하면 회전방향으로 전계가 발생된다는 사실을 보여준다.* Ampere 법칙에 의한 유도식Ampere 법칙에 의하면 임의의 폐곡선을 딸 자계를 선적분하면 폐곡선 내에 포함된 전류가 된다. 이때 전류값은 전도전류와 변위전류가 포함된 값이 된다. 즉,{여기서 변위전류 {를 대입하면{가 된다. 좌변의 폐곡선 적분을 Stokes정리를 이요하여 면적분으로 나타내면{이 되어 위 두식을 정리하면{{이 된다. 이 식의 좌변과 우변의 면적분은 동일하므로 적분을 제거하면 Maxwell 방정식의 미분형이 된다.{{이 식은 전도전류({)뿐만 아니라 변위전류({)에 의해서 자계가 회전방향으로 발생된다는 것을 보여준다. 다시 말하면 전속밀도 또는 전계가 시간적으로 변하면 자계가 이에 대한 회전 방향으로 발생한다.{* Gauss 법칙에 의한 유도식전하 Q와 전하에 의해 발생되는 전속밀도 D사이에 관계를 나타내는 Gauss 법칙은{로 표현된다. 즉 임의의 폐곡면을 뚫고 나가는 전체전속은 그 전속을 만들어내는 원천, 즉 전하가 된다. 발산정리를 이용하여 위의 식의 좌변을 체적적분으로 나타내면{이 된다. 여기서 우변의 체적은 좌변의 폐곡면이 만드는 체적이다. 위의 두 식을 정리하면

공학/기술| 2006.05.02| 4페이지| 1,000원| 조회(2,999)

전자기학, 맥스웰, Maxwell, 맥스웰방정식, maxwell방정식

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[전력계통공학]전력 조류 계산 평가C아쉬워요

1. 전력 조류 계산발전기에서 생산된 전력 에너지가 송, 배전 선로를 통해서 수용가까지 전송되어 소비되고 있다. 이러한 전력 에너지가 전달되는 과정 즉, 전력 에너지의 흐름을 전력 조류 또는 조류(power flow)라고 한다.전력 계통은 흔히 말하는 다수의 발전기, 변압기 ,부하 와 여러 가지 설비들로 구성되어있다. 이들은 송전선로에 의해 수많은 모선들과 서로 연결 되어있다.정상 상태의 정격전압과 정격 주파수에서 각 모선의 전압과 위상각을 구함으로서 선로나 변압기 등에 얼마만큼 전력이 흐르는가를 계산하는 것이 전력 조류 계산이다. 조류 계산은 비선형 연립방정식의 형태로 표현되며 대표적인 수치 해법으로 Gauss-Seidel법과 Newton-Raphson법이 있다.2. 전력 조류 계산의 목적과 응용전력 시스템의 목적은 전력 계통에 연결 되어 있는 수용가에 유효전력과 무효전력을 공급하는 것으로 전력의 공급은 정해진 전압의 크기와 주파수 범위 내에서 중단 없이 이루어짐으로써 신뢰성 있고 경제적이어야 한다. 한편으로는 발전기 중 어느 하나라도 지속적인 과부하 상태에 있어서는 안되며 선로 손실이 지나치게 커지거나 정태 안정도의 여유가 심각하게 줄어듦으로써 송전선로에 부담을 주어서도 안된다.전력 조류 해석의 주 목적은 이런 목표를 이루기 위한 것 이며 이외에 부하증가에 대응하기 위해 새로운 송전선로를 건설하려할 때, 새로 구성된 계통이 경제적이고 효율적이며 안전한 상태에서 운전할 수 있도록 하는 데 있다.3. 전력 조류 계산 관련 용어1) % 임피던스와 단위법(PU법)어떤 양을 나타내는 데 그 절대량이 아니고 기준량에 대한 비로서 나타내는 방법을 단위법(PU)이라고 한다. 또 이것을 100배 한 값으로 나타내는 방법이 백분율법, 즉 퍼센트(%)법이다. %법 그 자체는 본래 기준량으로서 무엇을 취할 것인가는 자유이지만 송전선이나 동기기 등에서는 전압, 전류, 주파수의 기준량으로서 각각이 지니고 있는 정격전압, 정격전류, 정격 주파수를 사용하고 있다.－ %법이나 단위법을 사용할 때의 이점1 값이 단위를 가지지 않는 무명수로 표시되므로 계산하는 도중에서 단위를 환산할 필요가 없다.2 식 중의 정수 등이 생략되어서 식이 간단해진다.3 기기 용량의 대소에 관계없어 그 값이 일정한 범위에 들어가기 때문에 기억하기 쉽다.2) 유효전력 : 전원에서 부하로 실제 소비되는 전력교류회로에서 부하에 유용하게 사용되는 전력. 교류회로에서는 선로의 전기저항과 부하의 C, L 성분으로 각각 교류의 위상각이 차이가 발생하게 된다. 이것을 역율이라 하며 {cos theta라고 한다. 즉 실제로 일하는 것은 피상전력값에 역율을 곱한 것이 유효전력이 된다.{W=V TIMES I TIMES cos theta ```````[W]3) 무효전력 : 실제로는 아무런 일을 하지 않아 부하에서는 전력으로 이용할 수 없는 전력교류회로에서 실제로는 아무일도 하지 않아 부하에서는 전력으로 이용할 수 없는 전력을 말한다. 즉 유효전력에서 말한 역율의 차이만큼 공급은 되나 부하에서는 사용되지 않은 전력이 있다. 그것을 무효전력이라고 한다.{W=V TIMES I TIMES sin theta ````````[Var]4) 피상전력 : 교류의 부하 또는 전원의 용량을 표시하는 전력, 전원에서 공급되는 전력교류회로에서 전압의 실효값과 전류의 실효값의 곱을 말한다.{W=V TIMES I````````[VA]즉 전기상에서 아무런 감소나 방해 없이 공급한 만큼 100%의 일을 할 수 있는 완벽한 것이 피상전력이다. 자연 상에서는 불가능한 수치상의 값이다.5) 부하전기적, 기계적 에너지를 발생하는 장치의 출력에너지를 소비하는 것, 또는 소비하는 동력의 크기.전기분야에서는 전원으로부터 전력을 공급받는 것, 예를 들면 전열기, 전등, 전동기 등은 그 전원에서 본 부하이고, 또 전동기와 같은 동력원으로부터 동력을 얻는 발전기, 펌프, 팬 등은 동력원에 대한 부하이다.또 많은 발전소의 발전기가 병렬로 연결되어 구성되어 있는 전력계통에서는 그 계통으로부터 전력을 끌어들이는 모든 전기설비, 더욱이 이들에 전력을 공급하기 위한 배전선로 그 자체도 포함하여 전력계통에서 본 부하라고 할 수 있다.6) 모선의 종류계통의 마디(node)는 모선(Bus)이고, 가지(branch)는 모선들을 서로 연결하는 송전선로(Line)들이다.1 발전기 모선(Generator Bus) : 발전기에 연결된 모선으로 전체 시스템에 이런 모선들이 전체 모선의 15% 정도를 차지하고 있다. 각 발전기 모선에는 하나 이상의 발전기가 연결되어 근처 부하뿐만 아니라 송전계통을 통해서 다른 부하에도 에너지를 공급한다.2 부하 모선(Load Bus) : 부하모선에는 발전원이 없으며, 그 대신 소비자의 수요에 맞추기 위한 유효, 무효 전력이 모선으로부터 유도된다. 부하 모선은 송전계통 내에서 가장 흔한 형태의 모선으로 전체의 85% 까지를 차지한다.3 슬랙 모선(Slack Bus) : 전체 전력 계통에 걸쳐 전력 평형 조건을 만족하기 위해서는 발전기 모선과 부하 모선 외에 또 다른 형태의 모선이 필요하다. 최적의 경제적인 계통 운용을 위해서 하루 중 특정시간에서 각 발전기 모선의 유효전력은 고정되는 것이 일반적이다. 또한 부하 모선에서 요구되는 부하량은 알고 있는 것이 보통이다. 부하에서 필요로 하는 총 전력량이 발전기의 고정 전력량과 정확하게 일치하는 것은 실제로 매우 드문 일이다. 따라서 각 발전기 모선에서 생산되는 유효전력을 고정시키는 것보다는 발전기 중에서 어느 하나만 그 전력을 고정시키는 것이 보다 실직적인 방법이다. 이렇게 제외된 발전기는 전체 계통의 전력 평형을 이루기 위해 그 발전량을 조절하는데 사용한다. 이와 같은 역할 때문에 이 세 번째 형태의 모선을 슬랙 모선이라 하며 1번 모선으로 정해진다.슬랙 모선을 제외한 모든 모선은 슬랙 모선의 값을 기준으로 하여 PU 단위로 표현되며, 슬랙 모선이 있으므로 인해 다른 발전 모선의 발전량을 특정값으로 정할 수 있다.< Gauss-Seidel 법 >1. Gauss 반복법의 개요{a _{11} X _{1} +a _{12} X _{2} +a _{13} X _{3} =Y _{1}# a _{21} X _{1} +a _{22} X _{2} +a _{23} X _{3} =Y _{2}# a _{31} X _{1} +a _{32} X _{2} +a _{33} X _{3} =Y _{3}간단한 3원 연립방정식이 위와 같을 때 해에 관해 풀어보면{X _{1} = {1} over {a _{11}} (Y _{1} -a _{12} X _{2} -a _{13} X _{3} )# X _{2} = {1} over {a _{22}} (Y _{2} -a _{21} X _{1} -a _{23} X _{3} )# X _{3} = {1} over {a _{33}} (Y _{3} -a _{31} X _{1} -a _{32} X _{2} )따라서 N원 연립방정식이라면 {sum _{k=1} ^{N} a _{jk} X _{k} =Y _{j} `````,``````````j=1,2, CDOTS ,N으로 표현할 수 있으며, 해는 다음과 같이 된다.{X _{k} = {1} over {a _{kk}} (Y _{k} - sum _{j=1} ^{N} a _{kj} X _{j} )# ```````````= {1} over {a _{kk}} (Y _{k} -a _{k1} X _{1} -a _{k2} X _{2} CDOTS `-a _{kN} X _{N} )``,``````````k=1,2, CDOTS ,N.......식 (1)가우스 반복법에 의해 푸는 과정은 다음과 같다.1 적절한 초기값 {X _{1} ^{0} ,`X _{2} ^{0} ,` CDOTS ,`X _{N} ^{0}을 가정한다. (보통 {X _{k} ^{0} =Y _{k} `/a _{kk})2 초기값을 식 (1)에 대입하여 첫 번째 반복에 의한 해 {X _{k} ^{1}을 구한다.3 새로운 값 {X _{k} ^{`i}를 이용하여 위의 과정 2를 수렴기준에 만족될 때까지 반복한다.{TRIANGLE X _{k} =X _{k} ^{``i} -X _{k} ^{``i-1} ` INF } {R _{n} =0}에서 수렴된다. 만약 (X-a)

공학/기술| 2006.05.02| 6페이지| 1,000원| 조회(5,655)

전력, 전력조류, 전력조류계산, 가우스 자이델 법, 뉴턴 법

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[전기공학]단상 유도전동기의 기동 방법 평가A+최고예요

-전기기기 실험-[실험7. 분상 및 콘덴서 기동모터의 기동특성]Ⅰ. 실험 목적분상(split-phase) 및 Capacitor Start 모터의 기동 Torque와 기동전류와의 관련성을 알아본다.Ⅱ. 관련 이론1. 단상유도전동기의 회전 원리단상유도전동기는 회전자가 동기 시작하도록 하는 보조수단 없이는 회전자계를 발생할 수 없고 이에 따라 토크도 발생시킬 수 없다. 그림에서 주극 자속이라 불리는 고정자의 자속은 아래 방향으로 증가하고 있어 회전자의 기자력은 위쪽을 향해 나타나게 된다. 회전자의 자속축이 고정자의 자속축과 일직선상에 놓이게 되므로 회전자계가 발생하지 않고 전동기 동작도 나타나지 않는다.{그러나 회전자가 기계적으로 회전한다면 회전자계가 생성되며 유도전동기 동작이 발생한다. 이러한 동작은 직교자계이론이나 이중회전자계이론으로 설명된다.그림에서와 같이 회전자를 기계적으로 돌려주면 회전자의 도체가 주자극 자속을 끊고 지나가게 된다. 속도전압에 의해 유기된 회전자도체의 전류는 주극자속의 중심선과 90 각도를 갖는 자계를 발생한다. 고정자권선에 의해 만들어지는 자속은 주축상에서 정현적으로 교번하며 회전자에 유기되는 자속은 직교축상에서 교번하게 된다.회전자를 회전시켜주면 직교자속이 만들어지고 이것이 주축자속과 합성되어 회전시킨 방향으로 돌아가는 자속이 생성된다. 이 회전자속은 회전자를 동기속도 부근까지 가속시키게 된다.상분할에 의한 유도전동기 작용 : 기계적 수단을 동원하지 않고 단상전원으로부터 회전자계가 시작될 수 있도록 하기 위해서는 두 개의 고정자권선과 상분할회로가 필요하다. 주권선은 주축자속을 만들어내고, 주권선과 90 의 전기각을 갖도록 배치된 보조권선(=기동권선)은 직교축자속을 만들어낸다.상분할 회로는 보조권선과 직렬로 접속되어 보조권선에 흐르는 전류가 주권선의 전류와 위상차를 갖도록 해준다. 전류에 의해 생성되는 자계는 전류와 동상이므로 직교축자속과 주자속 사이에 위상차가 있게 되고 이로 인해 회전자계가 만들어진다.상분할은 커패시터나 저항을 통해 이루어진다. 커패시터를 사용할 경우 커패시터기동형 분상전동기(capacitor-start split-phase motor), 저항을 사용할 경우에 저항기동 분상전동기(resistor-start split-phase motor)라고 한다. 그러나 일단 전동기가 돌기 시작하면 자기여자에 의해 직교자속이 유지되므로 상분할 회로를 분리해도 무방하다.2. 단상유도전동기의 종류(1) 저항기동형 분상전동기{보조권선에는 주권선보다 가는 전선을 사용, 보조권선의 저항-리액턴스 비가 주권선에서보다 큰 값이 되도록 한다. 보조회로 내에 있는 스위치는 자기릴레이, 정지형 스위치 혹은 원심스위치이다. 그림은 저항기동 분상전동기의 회로도, 페이서도, 토크-속도특성을 보여준다.저항기동 분상전동기는 원심펌프, 기름연소기, 송풍기 및 이들과 비슷한 적정한 토크와 일정속도를 요구하는 부하들에 적합하다. 이 전동기는 일정주파수 전원으로부터 구동될 때 극수 변환 이외에는 속도를 제어할 수 있는 방법이 없다.(2)커패시터기동형 분상전동기커패시터기동형 분상전동기는 저항기동 분상전동기에 비하여 훨씬 큰 {I _{aw`} sin` alpha와 이에 따라 훨씬 큰 구속토크를 발생한다. 저항기동형에서는 위상차 {alpha가 25 에서 30 의 값을 갖는 것에 비해 커패시터기동형에서는 최대의 구속토크를 발생하는 커패시터 용량에서 위상차 {alpha가 75 에서 88 사이의 값이 된다.커패시터기동형 분상전동기의 토크-속도특성은 그림(c)와 같다. 기동시의 곡선은 보조권선과 주권선이 모두 연결되었을 때의 전동기 특성이며, 운전시의 곡선은 보조권선이 떨어져 나간 후의 특성이다.{저항기동형 분상전동기와 비교해 보면 운전특성은 사실상 같음을 알 수 있다. 둘 사이의 차이는 기동토크에 있다. 저항기동형에서는 정격의 130%에 해당하는 기동토크를 갖는 반면 커패시터기동형에서는 300%에 달한다. 이와 같이 높은 기동토크와 낮은 속도변동률을 갖는 커패시터기동형 전동기는 스토커, 컴프레서, 왕복형 펌프 및 이와 유사한 특성을 갖는 부하들에 적합하다. 이 전동기는 일정주파수 전원하에서 극수 변경 이외에는 속도를 제어할 수 있는 방법이 없다.저항기동형과 커패시터기동형 모두 동기속도로 회전할 수 없다. 회전자계는 회전자에 유기된 전류가 직교자속을 생성하는 데세 의존한다. 따라서 회전자가 동기속도에 접근하면 회전자에 유기되는 속도전압 및 이에 의한 회전자 전류 및 직교자속은 0에 근접한다. 따라서 가속토크는 동기속도보다 약간 낮은 값에서 0이 된다.그러나 영구분상형 커패시터 전동기와 2중 커패시터 전동기는 사실상 2상 전동기에 해당하기 때문에 무부하상태에서는 동기속도에 도달하는 것이 가능하다.(3) 영구분상형 커패시터 전동기영구분상형 커패시터 전동기는 커패시터를 포함한 보조권선이 영구적으로 접속되어 있는 구조를 갖는다. 보조권선에 스위치가 존재하지 않으며 그 동작은 같은 용량의 커패시터기동형이나 저항기동형에 비해 더 부드럽고 조용하다. 이 형태의 전동기에 사용되는 커패시터의 용량은 커패시터기동형에서보다 작으며 최선의 기동특성과 최선의 운전성능 사이에서 절충된 값이다. 주된 응용분야는 일체형 난방기와 환기용 팬 등에 사용되는 장착형 팬을 들 수 있다. 속도제어방식에는 전원측에 탭이나 슬라이드 단자를 갖는 단권변압기를 사용하는 방법, 주권선 또는 두 권선 모두에 직렬로 외부저항이나 리엑터를 사용하는 방법, 탭과 선택스위치를 사용, 주권선의 권선수를 조정하는 방법, 그리고 정지형 제어키를 사용하는 방법 등이 있다. 위의 그림의 (d)는 영구분상형 커패시터 전동기를 나타낸다.(4)2중 커패시터 전동기2중 커패시터 전동기는 기동시에는 운전시보다 더 큰 커패시터 용량을 사용할 수 있도록 되어 있다. 이렇게 함으로써 구속토크가 영구분산형 커패시터 전동기보다 더 커지게 된다. 운전상태에서는 커패시터 용량을 감소시켜 역률의 개선, 효율의 향상, 그리고 높은 항복토크가 나타나도록 한다.3. 유도전동기의 기동 방법농형 유도전동기에 직접 정격 전압을 가하면 전부하 전류의 5~8배의 기동전류가 유입하여 교류 전원에 악영향을 미치고 기동 시간이 긴 경우에는 권선 소손 등의 사고가 일어난다. 그래서 다음과 같은 기동법이 채용되고 있다.(1) 전전압 기동소용량의 농형 전동기에서는 일반적으로 장치의 관성이 작으므로 기동 시간도 짧고 또한 용량도 작으므로 교류 전원에 주어지는 영향도 작으므로 3.7[kW](5[HP])까지는 기동 장치를 따로 사용하지 않고 직접 정격 전압을 가하는 전전압 기동법이 보통 사용된다. 이것을 직입 기동법 또는 라인 스타트라고도 한다.(2) Y- 기동법{이것은 10~15[kW] 이하의 전동기에 사용하는 방법이다. 1차 권선의 각 상의 두 끝을 단자에 접속하여 두고, 이것을 전환 개폐기 S에 접속한다. 기동할 때에는 S를 기동측으로 닫고 1차 권선을 Y로 접속한다. 차차 가속하여 거의 전 속도에 이르면 운전측으로 개폐기를 전환하여 접속으로 바꾼다.이 방법으로 하면, 기동할 때 1차 각상의 권선에는 정격 전압의 {{1} over {sqrt {3}}의 전압이 가해져 기동 전류(선전류)가 전전압 기동에 비하여 1/3이 되므로, 기동 전류는 전부하 전류의 200~250[%] 정도로 제한된다. 그러나 토크는 전압의 제곱에 비례하므로 기동토크도 1/3로 감소한다. 따라서 이 방법은 적은 부하를 걸고 기동하는 경우에 사용된다.(3) 리액터 기동법Y- 기동법과 마찬가지로 전전압 기동으로 하면 기동 전류가 지나치게 많이 흐르므로 이 전류를 제한하려고 하는 경우에 쓴다. 전동기의 1차측에 직렬로 철심이 든 리액터를 접속하는 방법이며, 기동한 다음 전류가 감소하는 데 따라 전동기의 단자 전압이 높아지고 토크가 증가한다. 그러므로 펌프나 송풍기와 같이 부하 토크가 기동할 때에는 작고 가속하는 데 따라 증가하는 부하에 동력을 공급하는 전동기에 적합하다. 기동이 끝난 다음에는 리액터를 개폐기 S로 단락한다. 구조가 간단하므로 자동 운전 또는 원격 제어를 하는 경우에 적당하다.

공학/기술| 2006.05.02| 6페이지| 1,000원| 조회(5,114)

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[전기공학]직류 전동기의 종류 및 특성

-전기기기-[ DC모터(직류기) 종류 및 특성 ]1. 직류기의 회전원리(1) 직류 발전기그림 1(a)와 같이 자극 N, S에 의해서 만들어지는 자계 속을 코일변 A, B로 구성된 코일이 YY'축을 중심으로 일정 속도 n으로 회전하게 되면 플레밍의 오른손 법칙에 따라 코일변 A, B에는 각각 화살표 방향으로 기전력 {e를 발생한다. 이 때, 1개의 도체에 유도하는 직류 기전력의 크기 {e는 다음과 같다.{B: 평균 자속 밀도 [{Wb/m ^{ 2}]{e=Blv[{V] {l: 코일변의 유효 길이 [{m]{v: 도체의 주변 속도 [{m/s]위 식에서 회전 속도가 일정하면 {l은 일정하므로 {e는 {B에 비례하고 그림 1(c)에 나타낸 바와 같이 갭에 있어서의 자속 밀도를 실선으로 하면 기전력의 파형은 점선과 같이 된다.{그림(a)에서 그림(b)와 같이 코일의 위치가 반회전하면 코일변 A, B에 발생하는 기전력의 방향은 각각 역으로 되지만 2개의 반원 도체편 {c_{ 1}, {c_{ 2}를 설치하고, 2개의 고정 접촉자 {b_{ 1}, {b_{ 2}를 전압이 0이 되는 각도, 즉 두 접촉자가 두 개의 도체편을 단락시키도록 맞춘다.이렇게 하면, 코일변의 전압이 방향을 바꿀 때마다, 접촉자도 연결을 바꾸고, 접촉자의 출력이 항상 그림(d)와 같이 (+)극성인 직류가 된다. 이 연속 접촉-스위칭 과정을 정류라 한다. 이 회전하는 반원형 도체편을 정류자편이라 부르며, 고정 접촉자를 브러시라고 한다.[그림 1 직류 발전기의 원리](2) 직류 전동기{그림 2(a)와 같이 브러시 {b_{ 1}, {b_{ 2}사이에 직류 전압을 인가하면 코일에는 화살표 방향으로 전류 {i가 흐르고 코일변 A, B에는 플레밍의 왼손 법칙에 따라 그림(b)의 방향에 힘 {f가 발생하고 코일이 감겨진 회전자에는 토크 {T가 작용하여 화살표 방향으로 회전한다. 코일이 반회전하면 코일변에 흐르는 전류의 방향은 반전하고 항상 동일 방향으로 토크가 발생한다.[그림 2 직류 전동기의 원리]도체 1개에 작용하는 방식에 따른 직류전동기의 종류계자 권선은 직류기의 자주속을 만들기 위한 것으로 성층화된 계자 철심 상에 감겨지며 분권 권선, 직권 권선 및 양자를 함께 감은 복권 권선이 있다. 또한 1[kW]이하의 소형 직류기에서는 계자극에 영구 자석을 사용하는 것도 많다.여자 방식 : 타여식, 분권식, 직권식, 복권식-자여식 : 발전기 자체에 발생한 기전력에 의해 계자 전류를 흐르게 하는 방식-타여식 : 따로 준비된 정원에 의해 계자 전류를 흐르게 하는 방식직류 전동기의 속도 {n=k {E} over {PHI } ,`n=k {V-R _{a} I _{a}} over {PHI } ``[rps]...(1)직류 전동기의 토크 {tau =k _{2} PHI I _{a}[N m] ..(2)(1) 타여자 전동기그림과 같이 별로로 준비된 전원에 의해 계자 권선에 계자 전류 {I _{f}를 공급하는 방식.{[그림] 타 여 식1) 속도 특성타여자 전동기에서는 계자 전류, 즉 자속 {PHI는 거의 일정하므로 V가 일정하면 n은 {V-R _{a} I _{a}와 거의 비례한다. 따라서, 부하전류 I(={I _{a})가 작을 때에는, 속도는 전류의 증가에 따라 저하한다.전기자회로의 저항 {R _{a}의 값은 적기 때문에 속도의 감소는 적지만, 어떤 전류 이상이면 전기자 반작용이 커지므로, 감자작용에 의하여 자속이 감소하기 때문에 속도 n은 오히려 상승한다.{[그림] 타여자 전동기의 특성곡선2) 토크 특성타여자 전동기에서는 속도특성과 같은 이유로서 부하전류 I(={I _{a})가 작을 때에는, 토크 {tau는 거의 부하전류에 비례하나 어떤 전류 이상이 되면, 전기자 반작용이 커지므로 자속 {PHI는 감소하고 따라서 그림의 토크 곡선과 같이 다소 완만하다.3) 용도타여자 전동기는 속도를 광범위하고 상세하게 조정할 수 있으므로 대형 압연기나 고급 엘리베하나 정속도성의 전동기로는 거의 동일한 특성이 있는 3상유도전동기가 있으므로 분권전동기는 별로 사용하지 않는다.(3) 직권전동기{그림과 같이 전기자 권선과 계자 권선이 직렬로 접속되는 방식. 이 경우의 계자 권선을 직권 계자 권선(series field winding)이라 한다. 전기자 전류 {I _{a}, 전동기 입력 전류 {I, 계자 전류 {I _{f}는 모두 같은 값이 된다.[그림] 직 권 식1) 속도 특성계자전류와 전기자 전류 및 부하전류가 같으므로 전기자 전류는 계자권선 중에서도 전압강하가 생긴다. 따라서 속도 n은 식(1)에서{n=k {V-(R _{a} +R _{s} )I _{a}} over {PHI } ``[rps]단, {R _{s}는 직권계자권선의 저항이고, {R _{a}는 전기자 회로의 저항이다.{PHI는 계자전류에 따라 결정되므로 전기자 반작용을 무시할 때에 {I _{a}가 작고 자기회로가 포화되지 않으면 {PHI는 {I _{a}에 정비례하므로 {PHI =k _{3} I _{a}가 된다.일반적으로 {(R _{a} +R _{s} )I _{a} < V이므로 {(R _{a} +R _{s} )I _{a}를 V에 비해 무시하면 식은 다음과 같다.{n=k _{4} {V} over {I _{a}} ``[rps]{k _{4} =k/k _{ 3}는 상수즉, 속도 n은 전기자전류에 반비례한다. 그러나 무부하 전류가 어느 정도 이상으로 증대하면 자기회로는 포화하기 때문에 {PHI는 {I_{ a}에 정비례해서 증가하지 않고, 포화에 이르면 {PHI는 거의 일정하므로 속도 n은 거의 일정하게 된다.{[그림] 직권전동기의 특성2) 토크 특성위에서 전기자전류가 작고 불포화일 때 {PHI=k _{ 3}I _{ a}이므로 식 (2)는{tau=k _{ 2} PHII _{ a}=k _{ 2}k _{ 3}I _{ a} ^{ 2}즉 부하전류가 크지 않을 때에는 전류의 제곱에 비례한 강대한 토크를 내는 특징이 있다. 그러나 부하전류가 어느 정도 이상으로 커지면 자기포화가 생기기 때속도가 상승하는 위험이 있고, 또한 토크 특성도 좋지 않으므로 특수한 경우 이외에는 거의 사용하지 않는다.4. ED-5100 DC 모터의 분석ED-5100 모델의 DC Machine에는 Control Box가 부착되어 있으며 여기에는 다음 같은 4조의 입출력 단자와 또한 Circuit Breaker에 의해 ON/Off 될 수 있는 전원 입출력 단자들이 설명되어 있다.{.Field Rheostat이 가변 저항기는 Shunt Field Coil에 흐르는 전류를 가감하기 위한 것인데, 이 저항이 증가되면 발전기의 경우에는 발전 출력전압이 감소되고 Shunt Motor에서는 속도가 상승되는 영향을 주게 된다. 그러나 이 Rheostat가 속도 제어용으로 사용하기 위한 것은 아니다..Shunt Field Coil이 Field 권선은 Armature 권선과 함께 DC 전원에 병렬로 연결되며 이 Field 권선에 전류를 흘려주면 일정한 자계를 발생하게 된다. 즉 권선의 철심 (Pole)에 자극을 나타내게 된다. 이때 이 자계의 세기는 권선의 Turn수에, Coil에 흐르는 전류값을 곱한 것과 비례한다. 이 Shunt Field Coil은 Series Field Coil에 비하여 감는 횟수를 많게 하고 대신 Coil의 굵기는 가늘게 한다. 따라서 Field 권선 저항도 그만큼 크게 된다..Series Field Coil이 Field 권선 역시 권선의 감은 회수와 여기에 흐르는 전류에 비례되는 자계를 발생시키며 이 Field 권선은 Armature와 직렬로 연결되도록 한다. 따라서 Armature에 흐르는 전류는 이 Field Coil을 통하여 흐르게 되며 이는 Armature 전류를 흘려줄 만큼 굵은 Coil로 감고 대신 감는 회수는 적게 하고 있다. 대개 이 Coil의 저항값은 Armature Coil의 저항값과 비슷하다..Armature발전기의 경우에는 이 Armature를 기계의 힘으로 돌려 주므로 Armature 권선으로부터 발전 출력전압을 얻고 있다. 그러나 MotI _{a} = {K PHI } over {R _{a}} (V-K PHI n)[N m]식(1)의 양변에 {I _{a}를 곱하면{VI _{a} -I _{ a} ^{ 2}R _{ a}=EI _{ a}[W]좌변 제1항 {VI _{ a}는 전동기로의 전기적 입력, 제2항 {I_{ a} ^{ 2}R _{ a}는 전기자 회오 속의 동손, 우변 {EI _{ a}는 기계적 동력을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 실제로는 동손 외에 철손, 베어링이나 브러시의 마찰손, 풍손 등이 존재하므로 전동기의 축출력은 위식의 {EI _{ a}보다 약간 작아진다.(1) 속도 특성 곡선(speed characteristic curve)전동기의 단자 전압 V, 계자회로의 저항 {R_{ f}를 일정하게 유지시켰을 때 부하전류 I와 회전 속도 n의 관계를 나타낸 곡선{n= {V-I _{a} R _{a} -e _{b} +e _{a}} over {K PHI }(2) 토크 특성 곡선(torque characteristic curve)전동기의 단자 전압 V, 계자회로의 저항 {R_{ f}를 일정하게 유지시켰을 때 부하전류 I와 토크 T의 관계를 나타낸 곡선(3) 속도-토크 특성 곡선전동기의 단자 전압 V, 계자회로의 저항 {R_{ f}를 일정하게 유지시켰을 때 토크 T와 속도 n의 관계를 나타낸 곡선속도-토크 특성은 전동기의 안전성을 판단하는 중요한 특성이다.6. 직권 전동기의 특성{그림과 같이 전기자 권선과 계자 권선이 직렬로 접속되는 방식. 이 경우의 계자 권선을 직권 계자 권선(series field winding)이라 한다. 전기자 전류 {I _{a}, 부하전류 {I, 계자 전류 {I _{f}는 모두 같은 값이 된다.[그림] 직 권 전 동 기따라서 부하전류 I의 증감에 따라 자속 {PHI가 증감된다.(불포화 영역에서)(1) 속도 특성 곡선직권 전동기는 직렬로 연결되므로 계자전류와 전기자 전류 및 부하전류가 같으므로 전기자 전류는 계자권선 중에서도 전압강하가 생긴다. 따라서 속도 n은{n=k {V-(바꾼다.

공학/기술| 2006.05.02| 12페이지| 1,000원| 조회(4,436)

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