동기기
작성일 : 2024년 06월 29일 (Saturday)
동기기는 3상 교류(L1상, L2상, L3상)를 이용하기 위해 사용된다.
회전자와 고정자
동기기에서는 회전자와 고정자라는 개념이 도입된다.
고정자
전기자 권선이나 부하 권선을 지지하여 3상 기전력을 공급한다.
회전자
회전자는 돌극형(salient rotor)과 원통형(cylindrical pole rotor)이 존재한다. 돌극형은 공냉방식이고, 구조상 원심력에 약하다. 그리고, 단락비가 크다. 저속으로 사용해야 하므로 극수가 많아야 한다.
반면, 원통형(회전형)은 고정자와 회전자 간 공극이 좁아서 수소 냉각방식을 사용한다. 구조상 원심력에 강하다. 그리고 단락비가 작다. 고속으로 사용하므로 2극(또는 4극)을 적용해야 한다.
수소 냉각방식의 장점 수소로 냉각을 하면 공기보다 비중이 작아 풍손이 적고, 비열이 공기보다 커서 냉각 성능이 좋아 발전기 출력이 증가한다. 또한, 수소를 사용하여 산화되지 않으므로 절연물의 수명도 길어지며, 완전 밀폐를 하므로 소음이 적다. 하지만, 수소는 폭발할 우려가 있으므로 방폭 설비가 필요하다는 단점도 존재한다. 따라서, 아무데서나 사용할 수는 없고 터빈 발전기를 사용하는 발전소 등에서 사용한다.
회전자에 전기자를 놓을지 계자를 놓을지는 자유롭지만 일반적으로, 계자가 전기자보다 철을 많이 사용하기 때문에 구조 상 안정적이고, 계자를 회전시키는 것이 설계적으로 효율적이다. (계자는 저전압 소전류 이므로 전기자보다 권선이 덜 필요함)
실제로 회전자를 회전시키는 힘을 제공하는 원동기는 터빈을 돌리는 방법(원통형)과 수차(돌극형)를 이용하는 방법이 있다.
동기기 전기자 권선법
전기자 권선은 일반적으로 이상 전압을 방지하기 위해 Y 권선을 사용한다. Y 권선을 사용하면 또한 상전압이 낮아지기 때문에 코로나 현상을 방지하는 것에도 유리하다. 아래는 권선법의 종류를 나타내었다.
- 단층권 (Single Layer Winding) : 하나의 슬롯에 하나의 코일
- 이층권 (Double Layer Winding) : 하나의 슬롯에 2개의 코일
- 파권 (Wave Winding): 갔다가 돌아옴
- 중권 (Lap Winding) : 한번에 2번 감음
- 집중권 (Concentrated Winding) : 매극 매상의 도체를 1개의 슬롯에 집중하여 감은 것. 권선의 길이가 짧아져 동손이 저감되고, 제작비가 절감된다.
- 분포권 (Distributed Winding) : 매극 매상의 도체를 2개 이상의 슬롯에 분포시켜 감은 것. 권선의 길이가 길어지면서 동손은 조금 증가하지만, 고조파 특성이 좋아져 많이 사용한다.
- 전절권 (Full Pitch Winding) : 코일간격이 극 간격과 같은 권선법
- 단절권 (Short Pitch Winding): 코일간격이 극 간격보다 작은 권선법
전기자 권선법과 관련된 영상이 있어서 첨부한다. 아래는 동영상의 내용을 일부 발췌하고, 보완한 내용이다.
집중권은 말그대로 하나의 슬롯에 감은 것이고, 분포권은 여러개의 슬롯에 감아 만든 것이다. 분포권을 사용할 때 슬롯을 극 간격만큼 모두 사용한 것을 전절권, 극 간격보다 조금 짧게 사용하는 것을 단절권이라고 한다. 분포권/단절권을 사용하는 것이 고조파 특성이 좋아서 많이 사용한다. 고조파 특성 외에도 분포권을 사용하면 열발산 효과가 좋고, 누설 리액턴스도 감소하는 장점도 존재한다.
동기기의 전기자 반작용
전기자에 의해서 계자에 의한 자속을 한쪽으로 기울게 하는 편자작용, 반대로 작용하여 자속을 감소시키는 감자작용, 같은 방향으로 작용하여 자속을 증가시키는 증자작용이 존재한다.
발전기에서는 R 부하에 의해 편자, L 부하에 의해 감자, C 부하에 의해 증자 작용이 되고, 전동기에서는 R 부하에 의해 편자, C 부하에 의해 감자, L 부하에 의해 증자 작용이 일어난다.
동기기의 임피던스
인덕턴스
전기자 반작용에 있어서 L 부하란 전기자 반작용 리액턴스를 말한다. 그리고, 전기자 전류에 의해서 전기자 권선에만 쇄교하는 누설 자속에 의한 리액턴스를 누설 리액턴스라고 한다. 동기발전기의 1상의 자체 리액턴스는 동기 리액턴스라고 하고, 전기자 반작용 리액턴스와 누설 리액턴스를 합친값이다.
동기 임피던스 $Z_s$
동기 임피던스는 발전기의 유기 기전력을 단락전류로 나눈 값이다.
$$ Z_s = \sqrt{r^2 + x^2} = \frac{E}{I_s} = \frac{V}{\sqrt{3}I_s} $$
%동기 임피던스 %$Z_s$
동기 임피던스는 실제 정격 임피던스가 동기 임피던스의 몇 퍼센트인지를 나타낸다. 단순히 정격 전류를 단락전류로 나눈 값의 백분율을 나타낸다.
단락비
단락비는 정격전류 대비 단락전류를 나눈 값을 백분율로 나타낸 것이다. 단락비가 클수록 동기 임피던스가 작다는 의미가 된다. (동기 임피던스가 작으면 전압 변동률이 적고, 임피던스가 작으므로 전기자 반작용도 적고, 당연히 출력도 증가한다. 또한, 임피던스가 작으므로 과부하 운전시에도 큰 부담이 없다. )
하지만, 무부하시 단락전류가 크므로 이는 문제가 될 수 있다. 단락전류가 크기 때문에 구조가 커져야 하고, 그에 따라 철손이 증가한다는 단점이 있다.
병렬 운전
동기기를 병렬 운전하기 위해서는 사실 모든게 다 같아야 한다. (위상, 크기, 주파수, 파형, 상회전 방향) 하나라도 다르면 난조나 순환 전류로 인한 과열 등 문제가 발생한다. (즉, 파형이 동기화 되기 위해서 순환 전류가 발생하고 주파수가 맞지 않으면 난조로 인해 심한 경우 탈조가 발생할 수 있음.)
부하 분담
병렬 운전시 순환 전류에 의해서 계자 전류가 증가하는 발전기는 부하 분담을 더 하게 되었다는 뜻이어서 다른 발전기로 무효전류가 흘러 역률이 저하되고, 반대로 이 무효전류를 전달받은 발전기는 무효전류가 낮아져서 역률은 높아진다.
