소방의 모든 것

제5편 소방 기초이론(2)

※ 참고적으로 모바일로 보는 경우 일부 수식이 안보입니다. PC에서만 수식이 정상적으로 보입니다. 이유에 대해서는 알아보고 해결하도록 하겠습니다.

⚬ 전압, 전류, 저항, 전력

  1) 전압 (V) : 전기장이나 도체 내에 있는 두 점 사이의 전위의 차[V]

  2) 전류 (I) : 전기 회로 내 전압에 의한 전기의 이동[A]

  3) 저항 (R) : 전류가 흐르는 동안 전류의 흐름을 방해하는 작용[Ω]

  4) 전력 (P) : 단위 시간 동안의 전기 에너지[W = J/s]

   $ P = VI = I^2R = \dfrac {V^2}{R} $

⚬ 옴의 법칙(Ohm's Law) : 회로에 흐르는 전류는 가해준 전압에 비례하고 회로의 저항에 반비례함을 말하는 것으로, 같은 전압을 가해준 상태에서도 부하의 저항값에 의해 회로에 흐르는 전류가 다르게 나타난다.

   $ I = \dfrac {V}{R} [A] $

  여기서, I : 전류[A], V : 전압[V], R : 저항[Ω]

⚬ 줄의 법칙(Joule’s Law) : 전기에서 회로의 저항이 전기에너지를 열에너지로 변환하는 비율에 관한 수학적 표현

  W = I² R t [J] = 0.24 I² R t [cal]

⚬ 키르히호프의 법칙(Kirchhoff's law)

  1) 제1법칙(전류평형의 법칙)

   가. 유입된 전류의 합은 유출된 전류의 합과 같다.

    Σ 유입전류 = Σ 유출전류

     I₃ = I₁ + I₂

   나. 임의의 도선 접속점에 유입하는 전류의 합은 0이다.

    Σ I = 0

  2) 제2법칙(전압평형의 법칙) : 임의의 폐회로에서 어느 한 방향으로 취한 전압상승의 대수합은 그 회로에서의 전압강하의 대수합과 같다.

   Σ 기전력(전압상승) = Σ 전압강하

⚬ 직류(DC : Direct Current)와 교류(AC : Alternating Current)의 차이

⚬ 단상 교류회로

  1) 단상 교류회로 기초

   가. 각도 : 180˚ = π [rad]

   나. 회전각 : θ = ωt [rad]

   다. 각속도 : 회전체가 1초 동안에 회전한 각도, 기호는 ω, 단위는 [rad/s]

   라. 주기 : 1사이클의 변화에 요하는 시간, 기호는 T, 단위는 [s], T = 2π/ω = 1/f [s]

   마. 주파수 : 1초 동안에 반복되는 사이클의 수. 기호는 f, 단위는 헤르츠[Hz], f=1/T [Hz], ω = 2π/T = 2πf [Hz]

   바. 위상 : 주파수가 동일한 2개 이상의 교류가 존재할 때 상호 간의 시간적인 차이. 각속도로 표현, θ = ωt [rad]

  2) 단상 교류회로의 크기

⚬ 3상 교류회로

  1) 3상 교류회로 기초

   가. 3상 교류 : 주파수가 동일하고 위상이 2π/3[rad] 만큼씩 다른 3개의 파형

   나. 상(phase) : 3상 교류를 구성하는 각 단상 교류

   다. 상순 : 3상 교류에서 발생하는 전압들이 최댓값에 도달하는 순서

  2) 3상 교류회로의 크기

   가. 3상 교류의 순시값

   $ V_a = \sqrt{2}V \sin ωt[V] $

   $ V_b = \sqrt{2}V \sin (ωt - \dfrac {2π}{3}) [V] $

   $ V_c = \sqrt{2}V \sin (ωt - \dfrac {4π}{3}) [V] $

   나. 대칭 3상 교류 : 크기가 같고 서로 2π/3[rad] 만큼의 위상차를 가지는 3상 교류

  3) 3상회로의 결선

   가. 결선방법

    ① Y결선 : 전원과 부하를 Y형으로 접속하는 방법. 성형 결선

    ② Δ결선 : 전원과 부하를 Δ형으로 접속하는 방법. 삼각 결선

   나. Y결선과 전압

    ① 상전압 : 각 상에 걸리는 전압

    ② 선간전압 : 부하에 전력을 공급하는 선들 사이의 전압

    ③ 상전압과 선간전압의 관계 : 선간전압이 상전압보다 π/6(30˚) 앞선다.

    ④ 선간전압의 크기

   $ V_l = \sqrt{3}V_p(V_l : 선간전압, V_p : 상전압) $

    ⑤ 선간전류의 크기

   $ I_l = I_p(I_l : 선간전류, I_p : 상전류) $

  다. Δ결선과 전압

    ① 상전압과 선간전압의 관계 : 선간전압과 상전압은 동상(phase)이다.

    ② 선간전압의 크기

   $ V_l = V_p(V_l : 선간전압, V_p : 상전압) $

    ③ 선간전류의 크기

   $ I_l = \sqrt{3}I_p(I_l : 선간전류, I_p : 상전류) $

   라. 전력 : 발전단에서 정현파 교류전압을 인가하고 발생되는 전류는 전압과 θ만큼 위상차를 가지는 교류전류가 V(t) = V_msin(ωt), i(t) = I_msin(ωt+θ)라면,

    ① 피상전력 : 계통으로 인가하여야 하는 전력(P_a = VI)

    ② 유효전력 : R에서 소비되는 전력, 실제 소비전력(P = VIcosθ)

    ③ 무효전력 : 계통으로 유효전력을 보내는데 필요한 전력(P_r = VIsinθ)

    ④ 역률(효율) : cosθ

⚬ 직류 전동기(발전기) 원리

  1) 자기장 중에 놓인 도체에 직류 전류를 흘리면 플레밍의 왼손법칙에 의해 도체에 전자력이 발생하여 회전하게 된다. 직류 전동기는 속도제어가 용이하기 때문에 전철, 엘리베이터, 압연기 등과 같이 속도 조정이 필요한 경우에 널리 사용된다.

  2) 직류기는 교류의 슬립링 대신 2조각의 정류자편을 연결한다. 코일의 양 끝을 각각 정류자편에 한쪽씩 연결하고 브러시를 접촉시켜 직류 전류를 얻는다.(발전기)

  3) 코일이 자기장 내에서 회전을 할 때 발생하는 전류는 교류지만 슬립링 대신 2조각으로 된 정류자편을 사용하면 코일이 회전하여 자리를 바꾸어도 브러시는 항상 고정된 위치에서 정해진 코일과 접촉하므로 얻어지는 전류는 방향이 바뀌지 않는 직류가 된다.(발전기)

⚬ 3상 유도전동기(발전기)

  1) 원리

   가. 원통형 성층 철심이 안쪽에 3조의 권선 aa’, bb’, cc’를 2π/3[rad]의 간격을 두고 배치하고, 그 속에서 자극을 시계방향으로 회전시키면 다음과 같은 3상 교류를 얻는다.

   나. N극의 자석이 코일 a를 지날 때 기전력 e1이 발생하고 120˚간격을 두고 코일 b와 c가 배치되어 있으므로 2π/3의 위상차를 두고 기전력 e2와 e3가 발생한다. 자극이 1회전(cycle)하는 동안 120˚의 간격으로 3개의 기전력이 발생하므로 3상이라 한다.(발전기)

   다. 주파수가 f[Hz]인 교류를 발생시키기 위하여 극수가 P이며 회전속도 n[rpm]로 회전시키면 f, P, N 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립된다.(전동기)

    ① 동기속도(1차 속도) : 회전 자계의 회전 속도로 입력속도라 한다.

   $ N_s = \dfrac {120f}{P} $

    ② 회전자속도(2차 속도) : 회전자의 회전속도로서 출력속도라고 한다.

   $ \\N\\ = \dfrac {120f}{P} (1-s) $

    ③ 효율(슬립)

   $ s = \dfrac {N_s - N}{N_s} \times 100[\%] $

    ④ 펌프용 전동기 용량

   $ P = \dfrac {0.163QH}{η} \times k [㎾] $

     여기서, P : 전동기 용량[kW], Q : 유량[㎥/min], H : 전양정[m], k : 전달계수, η : 효율[%]

  2) 기동 방식

   가. 직입 기동(전전압기동법) : 출력 3.7[kW], 5[HP] 이하의 소형 전동기

   나. Y-Δ 기동(스타-델타법) : 출력이 5~15[kW] 미만의 중형 전동기

   다. 기동보상기 : 출력이 15[kW] 이상의 대형 전동기

⚬ 부울대수 정리

⚬ 유접점 논리회로 요소

  1) 일반 접점

   ※ a접점(에이접점) : 에이(a) 떨어졌다.

      b접점(비접점) : 붙(b)었다.

  2) 구성기기

   가. 수동스위치

   나. 배선용 차단기(MCCB, NFB) : 보통의 상태에서는 수동으로 회로를 개폐하고, 이상상태에서는 자동으로 회로를 차단하도록 설계된 장치

   다. 전자접촉기(Magnetic Contactor) : 전자석으로 전기회로 내 접점을 개폐하는 기능을 가진 기기로 주로 주회로에 사용됨

   라. 열동계전기(THR : Thermal Relay) : 회로의 과전류 시 전류의 발열작용을 감지하여 회로를 자동으로 차단

   마. 한시계전기(Time-Lag Relay) : 회로 동작 시 정해진 시간이 경과한 후 자동적으로 개폐하는 계전기

   바. 전자계전기(Relay) : 전류가 흐르면 전기의 자기 작용에 의해 계전기에 있는 코일이 여자되어 접점을 이동시키는 장치

⚬ 시퀀스회로 및 논리회로

⚬ 유접점 시퀀스 회로의 예

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