발전소 설비의 발전기 개요

1. 발전기 개요

가. 원 리

전기 에너지는 다음과 같은 특성이 있어서 각광을 받고 있다.

• 간편하게 발생시킬 수 있고, 발생 시 효율이 높다.
• 전선(cable)을 매개로 수송이 쉽고, 수송밀도가 높아 경제적이다.
• 다른 에너지로의 변환이 쉽고 전압, 전류, 주파수, 파형 등을 쉽게 바꾸어 제어가 용이하다.
• 생산부터 이용까지의 종합 효율이 매우 높다.
• 저장이 쉽지 않다. (전기 에너지 저장장치에 대한 개발이 진행 중이다)

전자유도법칙(패러데이 법칙)의 발견으로부터 비약적으로 발전하게 된 발전기의 대부분은 전동기(motor)와 마찬가지로 구조가 비슷한 회전기(rotating machine)이고 서로 가역적이다.

발전기는 기계적인 에너지(회전 에너지)를 전기 에너지로 바꾸는 변환기이고, 전동기는 이러한 전기 에너지를 입력으로기계적인 에너지를 출력으로 내는 변환기이다. 이러한 에너지 변환에는 전기자기장(electromagnetic field)이 매개한다.

 

(1) 동기속도

계자가 2극인 발전기에서 전기자 도체를 1회전시키면 주파수가 10Hz인 기전력이 발생되고, 4극인 발전기에서 도체를 1회전시키면 2Hz가 발생된다. 따라서 극 발전기에서는 1회전에 P/2 Cycle이 발생하게 되는 것이다.
이 때 P극 발전기에서 발생되는 유도기전력의 주파수 f는 다음과 같다.
주파수(f) = 극수(P)/2x RPS(초당 회전수) (Hz)

여기서 회전수 N은 주파수와 극수 P에 의해 정해지며 이를 동기속도라 하고 회전자가 동기속도로 돌아가는 교류발전기를 동기발전기라 한다.

(2) 3상 교류 파형

코일 3개를 각각 120° 간격으로 배치하여 회전시키면 도체에는 크기와 파형은 같고, 각각의 위상차가 120° 되는 3개의유기기전력 파형을 얻을 수 있다. 3개의 코일단자 중 B, D, F를 한데 묶어 중성점을 만들고 시작점 나머지 A, C, B를 외부로 인출한 것이 3상 교류발전기이다.

나. 유기기전력

1상의 전기자 권선에 유기되는 기전력은 정현파이다. 각 상의 고정자 권선을 지나는 회전 자계(Rotating Field)는 고정자 입장에서 정현파이므로 발전기의 유기기전력은 자속수 p에 비례한다. 그래서 계자전류를 조정하여 자속수

p를 변화시켜 자유로이 발전기의 유기기전력 또는 발전기의 단자전압을 조정할 수 있다.

다. 발전기의 출력

유기기전력과 단자전압 사이를 부하각(Power Angle)라 한다. 부하각의 물리적 의미는 자극축(Pdle AxiS)과 자계측(Field Axis) 사이의 각도이다. 무부하시는 자극 축과 자계 축이 일치(부하각 0도)하지만, 발전기가 계통병입 된 후 터빈에 공급되는 증기량을 증가시키면 부하각이 증대되어 발전기 출력이 증가된다. 원통형에서 이론적 최대출력은 90°에서발생된다.

발전기 안정운전을 위해 부하각은 90° 보다 작은 값에서 운전한다. 동기발전기(원통형)의 1상의 출력을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

라. 전기자 반작용(Armature Reaction)

발전기에 무부하 정격전압이 형성되어 있는 경우 공극에는 계자에서 나오는 주 자속(또는 계자자속)만 존재하지만 전기자 권선에 전류가 흐르면 그 전류에 의한 자속이 발생되어 주 자속에 영향을 미치는 현상을 전기자 반작용이라 하며 부하의 역율에 따라 그 작용이 다르게 된다.

 

1) 횡축반작용 

전기자 권선에 유기 되는 기전력과 흐르는 부하 전류가 동상(역률 100%)인 경우의 전기자 반작용을 말한다. 유기기전력과 동상인 전류가 최대치가 되는 것은 각 극의 한가운데를 지나는 순간이다. 전기자 전류에 의한 기자력이 주 계자기자력과 90°의 각이 되는 방향, 횡축방향 으로 작용 하므로 이것을 횡축반작용 또는 교차자화작용이라 한다. 횡축반작용의 경우 자극의 윗부분 좌측에는 자속이 증가되고 우측에는 감소되는 편자작용을 하는데 자극철심의 자기포화 현상 때문에 합성자속은 무부하시보다 다소 감소하며 자속분포의 파형이 왜곡되고 합성자속의 중심은 회전방향과 반대 방향으로 이동하게 된다.

(2) 감자작용(직축반작용)

전류가 기전력보다 90 뒤진 경우, 즉 순 유도성 부하인 경우에는 전류의 최대치와 자극과의 관계는 전기자 전류에 의한기자력은 주 계자기자력과 직축으로 일치하기 때문에 직축 반작용이라 하며 방향이 반대방향으로 작용하여 주 자속을 감소시키므로 감자작용 이라고 한다. 발전기운전에서 중부하 시간대에는 상대적으로 유도성 부하가 많기 때문에 발전기 전압이 강하되지 않도록 더 많은 계자전류를 공급한다.

(3) 증자작용(직축 반작용)

전류가 기전력보다 90° 앞선 경우, 즉 순 용량성 부하인 경우 전류의 최대치와 자극과의 관계는 전기자 전류에 의한 기자력은 주 계자 기자력과 직축으로 일치하기 때문에 직축 반작용이라 하며 방향이 같은 방향으로 작용되어 주 자속을 증가시키기 때문에 증자작용이라 한다. 발전기 운전에서 경부하 시간대에는 송전선로의 정전용량 때문에 계통이 진상으로 되므로 발전기 전압이 상승되지 않도록 계자전류를 감소시킨다.

 

마. 누설리액턴스

(1) 전기자 누설자속

전기자 전류에 의한 자속 중에서 공극을 지나 주계자 자속에 영향을 미치는 것 외의 일부 자속은 전기자 권선하고만 쇄교하는 자속이 있는데 이것은 전기자 반작용에는 전혀 관계가 없는 자속으로 전기자 누설자속(Leakage Flux)이라고 한다.

(2) 전기자 누설리액턴스(Leakage Reactance)

누설자속에 의한 리액턴스를 일괄해서 전기자 누설리액턴스라 한다.

• 슬롯(SIot) 누설리액턴스
• 공극(Air Gap) 누설리액턴스
• 권선단부 (Coil End) 누설리액턴스

바. 동기 리액턴스

전기자반작용 리액턴스와 전기자 누설리액턴스를 합처 동기 리액턴스라고 하며, 이것에 전기자 실효저항을 벡타적으로합한 것을 동기 임피던스라고 한다. 동기 리액턴스에 비해 전기자 실효저항은 보통 무시될 수 있을 정도이다.

 

사. 단락비(SCR : Short Circuit Ratio)

단락비는 동기 임피던스와 반비례 관계에 있다. 단락비가 적은 기계는 철을 비교적 적게 사용하고 동을 많이 사용한 동기계다. 특성은 동기 임피던스가 크다(전기자 반작용이 크다). 이것은 공극의 길이가 짧고 계자 기자력이 작다. 장점으로는중량이 가볍고 기계의 치수가 작게 되어 가격이 싸다. 또 철손 기계손이 감소되어 효율이 좋다. 그리고 단락시 단락전류가 적다. 반면에 단점으로는 과부하 내량이 적고 안정도 및 전압 변동율이 나쁘다.

단락비가 큰 기계의 특성은 단락비가 적은 기계와 정반대이다. 최근에는 발전기 중량감소에 의한 경제적인 이유와 보호계전기의 고속화 및 여자 속응도의 개선으로 안정도 문제가 해결되기 내문에 단락비가 점차 낮아지고 있다. 화력발전소및 원자력 발전소의 터빈발전기의 단락비는 10.5~0.8 정도이며, 수력과 같은 돌극형 발전기는 0.9~1.2 정도이다.