동기발전기의 여자시스템은 주 발전기의 회전자코일에 자장을 형성할 수 있도 록 직류를 공급하는 장치를 말하며, 여자전류를 조정하여 발전기의 출력전압이 나 병렬운전 시 무효전력을 제어하는 역할을 한다. 동기발전기의 전압제어장치 인 여자시스템은 Fig. 3.8과 같이 나타낸다[29-35].
Fig. 3.8 Configuration of excitation system for synchronous generator
3.2.1 직류 여자시스템
직류여자시스템은 직류발전기를 이용하여 슬립링을 통해 동기발전기의 계자에 여자전류를 공급하는 시스템을 말하며, 1960년까지 주로 사용되었으나 현재는 교류회전형 여자시스템이나 교류정지형 여자시스템으로 대체되어 거의 생산되 지 않는다.
직류여자시스템은 발전기의 축이나 다른 전동기를 이용하여 여자발전기를 구
동하는데 자여자식(Self-excited)이나 타여자식(Separately-excited) 방식으로 세 분화가 가능하다. 타여자식인 경우에는 여자발전기의 여자전류가 영구자석 발 전기를 가지고 있는 부여자기(Pilot-exciter)에 의해 공급된다. 부여자기는 자여 자방식의 분권형 직류발전기로 구성되며, 전압에 대한 제어를 담당하지만 전압 변동이 심하고, 자동전압조정장치를 병용하여도 전압조정에 대한 응답속도가 늦다. 또한, 발전기의 부하변화에 따라 원동기의 속도변도의 영향을 직접 받으 므로 여자전압의 변화로 인해 발전기의 전압변동이 커지며, 저속발전기의 경우 에는 여자기도 저속이 되어 필요한 여자전압을 얻기 위해서는 한 극 당 자속과 자극수를 증가시켜야하므로 여자기의 부피가 커져 철손증가 등에 의한 효율저 하를 초래하는 단점이 발생한다.
Fig. 3.9는 직류여자시스템이며, 주여자기는 타여자 방식의 발전기가 설치되고, 부여자기는 자여자방식의 분권형 직류발전기를 적용하여 전압에 대한 제어를 부여자기에서 담당한다.
Fig. 3.9 Diagram of DC excitation system
3.2.2 교류 회전형 여자시스템
여자용 발전기의 회전유무에 따라 회전형과 정지형으로 구분할 수 있으며, 교 류회전형 여자시스템은 여자시스템의 입력전원으로 회전형 교류발전기를 이용 한다. 일반적으로 이러한 여자시스템은 발전기의 축에 여자기가 연결되어 있고
여자기 출력에는 발전기의 계자에 필요한 여자전류를 만들기 위해 정류기를 설 치한다. Fig. 3.10은 교류회전형 여자시스템을 나타내며, 회전전기자형 교류여자 발전기에서 발생한 교류를 발전기 축과 함께 회전하는 회전정류기를 거쳐 직류 로 정류한 다음 주 발전기의 계자권선을 여자한다. 여자발전기와 정류기를 회 전하게 만들어 발전기 계자에 전원을 인가할 때 브러시와 슬립링을 통하지 않 게 하여 여자발전기의 전압을 단순히 다이오드를 통해 주 발전기의 계자에 입 력시키는 형태이며, 슬립링과 브러시를 사용하지 않으므로 유지보수 비용이 절 감되며 손실이 저감되는 장점이 있지만 회전부에 내장된 정류기를 통해 교류가 정류되므로 계자전류와 계자전압을 감시 할 수 없다. 또한, 정류기의 유지보수 가 어렵고, 가격이 고가이며, 발전기 중량과 설치면적이 증가하는 단점이 있다.
Fig. 3.10 Diagram of AC rotating excitation system
3.2.3 교류 정지형 여자시스템
교류정지형 여자시스템은 별도로 설치된 정지형 정류장치(Static rectifier)를 이 용하여 주 발전기에 계자전류를 공급하는 방식을 말하며, Commutatorless 여자 방식이라고도 한다. 여자시스템은 자동전압조정장치에서 발생한 신호와 기준신 호를 비교한 다음 설치된 사이리스터 점호각을 조정하여 주 여자기에서 나오는 출력을 조정하고, 조정된 여자기 출력은 다이오드로 정류하여 직류로 변환시켜
주 여자기에 여자전류를 공급한다. 여자기의 전압을 다이오드와 같은 정지형 정류장치를 통해 직류로 변환하여 슬립링과 브러시를 통해 주 발전기의 계자에 입력시키는 방법과 여자발전기의 전원을 무정전전원공급기나 부여자기 발전기 를 이용하여 발전기의 계자에 입력되는 전압을 단순히 다이오드를 사용하지 않 고 사이리스터를 이용하여 제어의 정밀도를 높이는 방법도 있다. Fig. 3.11은 교류정지형 여자시스템을 나타낸다.
Fig. 3.11 Diagram of AC static excitation system
3.2.4 정지형 여자시스템
정지형 여자시스템은 Fig. 3.12와 같이 발전기의 계자전원을 발전기 출력단에 연결된 변압기를 통하여 사이리스터에서 직류로 변환한 다음 슬립링과 브러시 를 통해 발전기 계자에 공급하는 방식이다. 이 방식은 사이리스터에서 발전기 계자전원이 직접 제어되므로 시간지연이 없고, 속응성이 뛰어나며, 교류 여자시 스템에 비하여 여자기기가 모두 정지해 있으므로 구조가 간단하고 설치 및 보 수유지가 쉽기 때문에 현재의 여자시스템에서 많이 사용되고 있다.
Fig. 3.12 Diagram of static excitation system