2.3 교류배전시스템과 직류배전시스템의 비교
3.1.1 동기발전기의 원리
Fig. 3.1과 같이 외부에서 발생하는 일정 자계내의 코일면
가 화살표와 같
이 시계방향으로 회전하고 있다면, 코일변와 에서는 코일이 반회전할 때
마다 크기와 방향이 주기적으로 변하는 기전력가 유도되고 코일의 양단에서
는 발생된 기전력의 합이 전압으로 나타나게 되며, 이것이 동기발전기의 기본 원리이다.Fig. 3.1 Basic principle of synchronous generator
교류발전기의 단면은 Fig. 3.2와 같이 나타내며, 이 그림에서 코일이
축을 기점 으로 일정 각속도로 회전하고 있다고 가정하면 코일이 기점을 지난 초 후에 있어서의 코일변의 선속도를 [m/s]라 할 때 자속과 직각방향
의 속도성분 ′ sin가 되고
또 이므로 각 도체에 유도되는 기전력 는 식 (3-1)과 같다.
′ sin sin (3-1)
여기서,
[T]는 N극과 S극 사이의 자속밀도, [m]은 코일반경, [m]은 코
일변의 유효길이, 는 각속도 [rad/s]이다.Fig. 3.2 Sectional configuration of synchronous generator
코일의 권수가
일 경우 Fig. 3.2의 브러시 사이에는 식 (3-2)와 같은 전압
가 발생한다.
sin
sin
sin (3-2)
단,
은 코일이 기점
축에 있을 때 코일을 관통하는 자속수,
은 코일에 유도되는 기전력의 최대치이다.선박에 설치된 동기발전기와 같은 3상 교류출력을 얻기 위해서는 Fig. 3.3(a)와 같이 고정자에 공간적으로
의 간격을 두고 코일 , , 상을 결선하는데
3상의 각 코일에 유도되는 기전력은 Fig. 3.3(b)와 같다.
(a) (b) Fig. 3.3 Configuration and output waveform of
3-phase synchronous generator
2극 발전기의 회전자가 1회전하면 코일에 유도되는 기전력은 1사이클을 완료 하므로 회전속도가 [rps]일 때 주파수는 [Hz]가 된다. 따라서 주파수 60[Hz]의 기전력을 얻기 위해서는 60[rps]의 속도로 발전기의 회전자는 회전해야한다. 회 전자가 4극일 경우에는 회전자의 1/2회전에 의해 전기적인 1회전을 완료하므로 회전속도가
일 때 주파수는 이 된다. 이와 같이 동기발전기에 있어서 회전
자의 회전속도와 기전력의 주파수에는 일정한 관계가 있으며 일정주파수의 기 전력을 얻기 위해서는 극수와 주파수에 의해 결정되는 일정한 회전속도인 동기 속도로 발전기를 운전해야하며, 동기속도는 다음 식과 같이 표현된다.
[Hz] (3-3)
[rpm] (3-4)
여기서,는 유도기전력의 주파수,
는 발전기 극수,은 회전속도[rps],
은 분당회전수[rpm],
는 동기속도이다.3.1.2 동기발전기 구조
일반적인 동기발전기는 Fig. 3.4와 같이 전기자권선은 고정자에, 계자권선은 회전자에 있다. 계자권선은 직류전원을 공급받는데, 정지해있는 탄소성분의 브 러시와 회전하고 있는 슬립링의 접촉을 통해서 이루어진다. 일부는 회전형 여 자시스템으로부터 계자권선이 전류를 공급받기도 하는데 이를 브러시리스 여자 시스템이라 한다.
Fig. 3.4 Brushless 3-phase synchronous generator
1) 고정자(Stator)
고정자코일은 전기자권선으로 유기기전력이 발생되는 부분으로 철심과 전기자 도체 및 전체를 둘러싸고 있는 프레임으로 구성되어있으며, 고정자 프레임은 전기자철심을 지지하고 기계 전체를 보호하며 자로를 형성하기 때문에 투자율 이 높고 강한 재료를 사용할 필요가 있다. 그러므로 주철이나 연강판을 용접하 여 조립하고, 그 프레임의 내주에 고정자 철심을 끼운다. 고정자철심은 와전류 손실을 감소시키기 위해서 냉각 압연한 0.35~0.5[mm], 규소함유량 2~4[%] 정도 의 규소강판을 Fig. 3.5와 같이 부채모양으로 만들고 절연 처리한 다음 성층하 여 조립하며, 철심을 성층할 때 50~60[mm]마다 간격편을 삽입하여 냉각용 기체 가 흐를 수 있는 통로를 만든다. 고정자철심은 절연을 위해 절연재를 칠한 성
형 철심구조로 되어 있으며, 고정자철심 단부의 누설자속에 의한 표류부하손을 줄이기 위해 적층상태에서 에폭시 수지로 접착하고 비자성 내측 간격편을 채택 하여 손실을 줄일 수 있는 구조로 제작된다.
Fig. 3.5 Stator structure of synchronous generator
2) 고정자권선(Stator winding)
고정자권선은 하프코일 형태로 제작하며 고정자철심의 홈 안에 넣은 후 단부 를 용접으로 접속한다. 코일은 대부분 1회권 코일로 평각동선을 사용하며, 고정 자철심 슬롯 내에 들어가는 권선은 와전류손실을 방지하기 위해 서로 절연되어 있다. 고정자 권선의 절연계급은 F종에 맞게 설계되어 있으므로 고진공하의 레 진 속에서 함침 시켜 건조하며, 각 코일의 끝은 절연된 링으로 단단히 고정되 어 있다. 고정자권선이 전기각으로
간격으로 3개의 권선이 배치되어 Y결
선이나 델타결선으로 구성할 수 있다.3) 회전자(Rotor)
회전자는 자극의 형태에 따라 돌극형과 원통형으로 구분할 수 있으며, 돌극형 은 디젤발전기나 수차발전기 등과 같은 저속용 발전기에 사용되고, 원통형은 고속으로 운전하여 원심력이 큰 터빈발전기 및 고속용 디젤발전기에 사용된다.
① 돌극형 회전자
디젤발전기나 수차발전기와 같은 저속용 발전기의 회전자는 계자극수가 다극 으로 되어 공작성이 우수한 돌극형태의 회전자가 사용되며, 개개의 자극이 튀 어나와 있고 계자권선이 자극철심에 집중해서 감겨져 있는 구조이다. 이것은 단강으로 만든 축에 플라이 휠 모양의 단강 또는 주강제의 스파이더를 키로 고 정시키고 스파이더에 계자환을 끼운다. 계철은 주강으로 만들고 그 외주에 계 자철심이 더브테일 또는 볼트에 의해서 견고하게 부착된다. Fig. 3.6은 동기발 전기의 돌극형 회전자를 나타낸다.
Fig. 3.6 Salient pole type rotor of synchronous generator
② 원통형 회전자
터빈발전기는 고속이 요구되므로 대용량에서는 원심력에 의한 응력과 풍손을 견디기 위해 원통형 회전자가 사용된다. 원통형 회전자는 기계적 강도를 고려 하여 일반적으로 하나의 덩어리로 단조된 니켈, 몰리브덴, 크롬의 합금강을 단 조하여 주축과 계자철심을 단일체로 만들고 그 주위에 방사상으로 홈을 가공하 며 이 홈에 계자권선을 설치한다. 홈의 입구에는 계자권선이 원심력에 의해 이 탈되는 것을 방지하기 위하여 비자성체 금속으로 만든 쐐기를 끼운다.
Fig. 3.7은 동기발전기의 원통형 회전자를 나타낸다.
Fig. 3.7 Cylindrical pole type rotor of synchronous generator
4) 회전자권선(Rotor winding)
회전자권선은 절연등급 F종으로 회전자가 회전하는 동안 큰 원심력에 의해 코 일의 변형을 방지하기 위해 절연표면은 충분히 가열과 압축된다. 회전 시에 코 일은 축방향으로 냉각되며, 원심력에 의해 외부로 이탈하는 것을 방지하기 위 해 기계적 내력이 큰 원통환(Retaining Ring)을 설치한다.
5) 코일 보호환(Retaining Ring)
코일 보호환은 고속회전으로 인해 받는 강한 원심력으로부터 코일의 이탈을 방지하기 위해 회전자 단부(Rotor end)의 양단에 열박음으로 설치한 원통이다.
재질은 전기적, 기계적 특성이 좋은 크롬-망간 합금강을 사용하며, 불평형 부하 및 돌발 단락사고 발생 시 큰 전류가 흘러 국부 가열을 일으키므로 단락환을 설치하여 보호하고 있다. 센터링 링은 권선의 축방향 이탈을 방지하기 위하여 코일 보호환에 열박음으로 설치되어 있으며, 코일 보호환과 열박음 부위 이외 에는 기계적 지지점이 없는 부동상태로 통풍로를 형성시키고 회전자의 변형에 의한 영향이 코일 보호환에 미치지 않도록 설계된다.
6) 제동권선(Damper winding, Amortisseur winding)
동기발전기에서 회전속도의 주기적 변화를 방지하고 일정한 속도를 유지하기
위하여 설치된 제동권선은 그 구조상 전기자의 3상 권선에서 보면 농형유도 전 동기의 2차 권선으로 작용한다. 회전자가 동기속도에서 이탈하여 고속도가 된 경우 제동권신이 전기자 반작용으로 자속을 끊어 발생된 전류와 반작용 자속 사이에 제동토크가 발생하며, 이로써 회전속도를 저하시키고 저속도가 된 경우 에는 회전속도를 상승시키도록 작용하여 회전속도의 주기적인 변화를 방지한 다.
3.1.3 동기발전기의 종류 1) 회전계자형 교류발전기
회전계자형 교류발전기는 고정된 전기자의 안쪽을 계자가 회전하는 형식이며 계자권선의 각 단자는 각각 슬립링에 연결되고 그 위에 접촉되어 있는 브러시 를 거쳐서 바깥의 직류전원으로부터 계자권선에 여자전류를 공급하도록 되어 있다. 3상의 전기자권선이 고정되어 있으므로 원심력을 받지 않아 기계적인 손 상에 강하고, 배열 및 결선이 용이하며, 충분한 절연을 할 수 있다. 또한, 전기 자 전류는 슬립링을 거치지 않고 정지하고 있는 전기자 단자로부터 직접 외부 회로에 의해 공급할 수 있으므로 대전류용으로도 적합하다. 회전자인 계자의 인출선이 2가닥으로 전기자보다 구조가 간단하므로 고속용으로도 충분히 견고 하게 제작할 수 있으므로 회전자의 관성이 증가가 용이하여 과도안정도 향상에 기여한다. 그리고 여자전류를 공급하기 위해서 슬립링이 필요하나 이것은 교류 출력전압에 관계없이 여자전압이 직류 440[V] 이하이므로 절연문제도 생기지 않으므로 회전계자형 발전기는 고전압 대용량의 발전기에 널리 사용된다.
2) 회전전기자형 교류발전기
회전전기자형 교류발전기는 고정계자의 안쪽을 전기자가 회전하는 형식으로써 그 구조가 직류발전기와 거의 같으며 다른 것은 정류자 대신에 슬립링이 있다 는 것이다. 이 형식은 10[kVA] 이하의 저압, 저용량 발전기에 사용되며 대용량 의 발전기에는 사용되지 않는다. 그 이유는 발생전력을 외부로 공급하기 위해 상수와 같은 수의 슬립링을 필요로 하는데 이것은 어느 정도 이상의 고전압,