발전소 발전기의 여자기와 자동전압조정기(AVR)

발전소 발전기 여자기와 자동전압조정기(AVR)

 

1. 여자기

가. 개 요

최근의 발전기는 고정자는 전기자로 회전자는 계자로 구성된 회전 계자형으로서 이 회전자 코일에 자장을 형성할 수 있도록 직류를 공급하는 장치를 여자기라 하며 발전기의 계자에 공급되어지는 전류를 계자전류라 한다.

계자 전류를 조정하여 발전기 전압이나 무효전력을 제어한다.

 

나. 여자설비의 목표

•   발전기 계자에 자계(69F)를 형성, 유지
• 기동시 발전기의 무부하 전압을 형성, 송전계통에 동기
• 병렬 운전시 유효전력에 따른 무효전력을 공급
• 외란 유입시 적절한 과도응답으로 발전기 전압을 안정
•   발전기 출력측의 안정도 한계를 상시 측정하여 송전계통과 발전기를 보호

 

다. 여자방식의 분류

여자방식의 선정에 있어서는 주로 운전 정비의 난이, 계통변동에 대한 응답성, 신뢰성 등을 고려하여 결정하게 된다.

직류여자기(DC Excitor) : 직결방식, 별치방식

 

교류여자기(AC Excitor) : 별치정류기 방식 (Commutatorless 방식), 회전정류기 방식 (Brushless 방식)

 

정지형 여자기(Static Excitor) : 사이리스터 (Thyristor) 직접여자방식

직류여자기 방식은 발전기의 대용량화에 따라 여자기 용량이 커져 기계적 제약을 받기 때문에 근년에는 채용되지 않고있다. 최근에 주로 채용되고 있는 방식에 대해 살펴보면 아래와 같다.

(1) Commutatorless(무 정류자) 여자방식(별치정류기)

별도로 설치된 정지형 정류장치(Static Rectifier)를 이용하여 주 발전기에 계자전류를 공급하는 것으로 이를Commutatorless 여자방식 이라고 한다.

이 여자기의 원리는 자동전압조정장치(AVR)에서 나오는 제어신호에 따라 사이리스터의 점호각을 조정하여 부여자기인PVC(Permanent Magnet Generator)에서 나오는 출력을 조정하고 이것을 직류로 변환시켜 주여자기의 계자전류로공급한다. 이때 발생되는 출력은 정지형 정류장치(Static Recifer)를 통해 직류로 변환되고 이 직류는 발전기 계자회로에 공급되어 주 발전기 전압을 조정하는 것이다. 슬립링과 브러쉬를 필요로 하나 정류자가 필요 없어 보수가 쉽다.

 

(2) 회전 정류기 여자방식(Brushless 방식)

회전 정류기 여자방식은 회전 전기자형 교류여자 발전기에서 발생한 교류를 축과 함께 회전하는 실리콘 정류기를 거쳐직류로 정류하여 주 교류 발전기의 계자권선을 여자하는 것으로, 이 여자방식은 슬립 링과 브러쉬가 없으므로 유지 정비가 용이하며, 그림에서 점선으로 표시된 부분이 한 몸체로 된 회전부로서 회전부에 내장된 정류기에서 교류가 정류되므로 이를 회전 정류기라고 한다.

 

(3)사이러스터(ThyriStor : SCR) 여자방식

사이리스터 여자방식은 주 정류기에 사이리스터를 사용하여 직접 여자제어를 하는 방식으로, 발전기에 필요한 계자전류는 발전기 출력단에 연결된 여자기용 변압기로부터 전원을 취해, 사이리스터에서 직류 여자전류로 변환시켜 발전기 계자에 전류를 공급하는 방식이다.

사이리스터 여자방식은 사이리스터에서 발전기 계자전류가 직접 제어되기 때문에 시간 지연이 거의 없고 응답이 빠른 반면에 여자전원을 발전기 출력으로부터 취하기 때문에 초기 여자를 외부전원으로부터 공급받아야 한다.

초기여자는 발전기 여자방식 특성에 따라 다르겠지만 소내전력 계통에서 전압을 취하여 계자차단기가 투입되면 자동적으로 공급되고 발전기 전압이 수십 % 이상에 도달하면 자동적으로 차단된다.

 

2. 자동전압조정기(AVR)

가, 개요

자동전압조정기(AVR, Automatic Voltage Regulator)는 전력계통의 부하변동에 따라 발전기 출력변화가 있을 때 발전기 전압을 일정하게 유지하기 위해 여자기의 여자전류를 조정하는 장치로서 대부분 자동운전으로 이루어 지며 수동운전도 할 수 있도록 되어 있다.

자동전압조정기는 발전기전압과 규정치와의 편차를 검출하는 검출부, 편차를 증폭하는 증폭부, 제어계를 안정시키는 제동회로로 구성되어 있다.

나. 원리

발전기전압에 따른 솔레노이드의 세기에 따라 제어저항이 가감됨으로서 여자기의 유지전압이 달라지며, 여자기에서 유기된 전압에 따라 발전기 회전자의 계자전류가 달라져 발전기 유기전압이 변하게 된다.

발전기 출력전압을 일정히 유지하기 위한 자동전압조정기의 제어 블록다이아그램을 나타낸 것의 원리는 다음과 같다.

미리 정해진 기준전압(설정전압 : V)과 일치되도록 하기 위해 실제 검출한 발전기 단자 전압을 피드 백(Feed Back)시켜이것을 설정전압과 비교하여 두 값 사이에 차이가 있으면 그 편차(e=V-Vo)를 구하여 제어장치에서 증폭된 조작량으로발전기의 계자전류를 조정하므로 기준전압(설정값)과 발전기 단자전압 Vo가 같아지게 된다. Vo와 Vi의 편차는 보통 극히 적어 직접 발전기의 계자권선에 주어지는 것이 부적당하므로 증폭장치(Amplidyne)로 증폭하여 계자권선에 주어지게 된다. 그리고 제어계를 안정시키는 제동회로가 있다.