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동기발전기

동기발전기의 구조와 원리

[78-3] 3상 동기발전기의 구조와 동작원리에 대하여 설명하고, 회전계자형의 채택이유에 대하여 기술하시오.
[98-1] 대용량 발전기에 설치되는 자동전압조정기(AVR)에 대하여 설명하시오.
[98-3] 대용량 교류발전기 여자기(Exciter)의 여자방식 종류 및 특징에 대하여 설명하시오.
[87-1] 전력계통안정화장치(Power System Stabilizer: PSS)란 무엇이며, 그 역할과 PSS가 통상 적용되는 발전소의 최소용량[MW]을 설명하시오.
[80-3] 최근 속응방식의 정지형 여자시스템(Static Excitation System)이 발전소에 많이 적용되고, 계통이 확장됨에 따라 계통의 미소외란시 진동문제가 대두되고 있다. 계통진동 현상의 제동특성을 개선하기 위한 발전기 전력계통 안정화장치(PSS)의 원리와 Setting에 대하여 아는바를 기술하시오.

동기발전기의 구조

동기발전기의 구조

1) 고정자(Stator) → 전기자(회전계자형)
고정자에는 전기자 권선이 되어 있으며, 유기기전력을 얻는 부분

2) 회전자(Rotor) → 계자(회전계자형)
회전자에는 계자 권선이 되어 있으며, 자계를 발생시키는 부분

3) 여자기(Exciter)
계자권선에 직류전류를 공급하는 장치로 무효전력 제어(전압제어)를 담당하는 부분으로 계자전류 공급방식에 따라 Brush type과 Brushless type이 있다.

4) 원동기(Prime mover)
발전기의 회전자의 축과 직결되어 있으며, 기계적인 에너지를 공급하는 부분으로 발전기에 유효전력을 전달하는 부분이다. 원동기의 출력은 조속기(Governor)에 의해서 제어된다.

동기발전기의 원리

1) 계자권선이 있는 회전자는 원동기로 일정한 속도(동기속도)로 회전시킨다.

2) 여자기에 의해 계자권선에 직류전류(If)를 흘러 공극에 회전하는 자속(Φf)을 발생시킨다.

3) 고정자에 있는 전기자 권선에 시간에 따라 주기적으로 변하는 쇄교자속이 인가되어 유기기전력(Ef)이 발생된다.

동기발전기의 원리

4) 전기자 권선에 부하여 인가되면, 전기자 전류(Ia)가 흘러 전기자 자속(Φa)이 발생되어 주자속인 계자자속(Φf)의 크기에 영향을 주는 전기자 반작용이 발생된다.

5) 계자자속과 전기자 자속의 합성자속에 의해서 유기기전력을 얻는다.

여자기(Exciter)

1) 발전기에서 여자기(Exciter)는 발전기의 계자권선에 직류의 계자전류를 공급하는 장치이다.

2) 여자기의 역할은 계자전류의 크기를 제어하여 발전기의 유기기전력의 크기를 제어한다. 이를 통해서 전력계통 운용에 요구되는 안정적인 전압을 유지시키는 역할을 한다.

3) 발전기는 여자기의 제어를 통해서 전력계통에 요구되는 무효전력을 공급 또는 흡수를 통하여 계통의 안정도를 향상시킨다.

동기발전기의 구조

여자방식의 종류

1) 직류 여자방식

여자전원으로 직류발전기를 사용하며, 슬립링과 브러시를 통해서 계자권선에 전류를 공급하는 방식으로 정류자(Commutator)의 마모, 전압제어의 어려움, 대용량 및 고속회전에 따른 직류발전기 제작이 곤란한 점으로 1960년대까지 적용했으나 현재는 사용하지 않는 방식이다.

직류 여자방식

2) 교류 여자방식 → 회전정류기 방식(Brushless type)

회전정류기 방식의 여자장치는 주여자기(Main Exciter)에 회전전기자형의 교류발전기를 이용하고, 부여자기(Pilot Exciter)는 고정자(계자)에 연결되고 회전자인 전기자는 동일한 회전축에 있으며, 발전된 3상전류는 정류기에 의해서 3상 전파정류되어 회전계자형의 계자에 직류전류를 공급한다.
가격은 고가이지만, 슬립링과 브러시를 사용하지 않으므로 유지보수 비용이 절감되며, 손실이 저감되는 장점을 갖는다.

교류 여자방식

○ 특징

(1) 슬립링과 브러시를 사용하지 않으므로 접촉저항에 의한 손실이 없다.
(2) 슬립링과 브러시의 마모에 의한 유지보수 비용이 절감된다.
(3) 정류기가 회전부에 설치되어 정류기의 유지보수가 어렵다.
(4) 발전기의 중량이 설치면적 및 가격이 고가이다.

3) 정지형 여자방식 -> Thyristor 직접여자 방식

정지형 여자방식은 발전기의 출력단에 여자기용 변압기과 사이리스터 정류기를 통해서 직류로 변환하고 슬립링과 브러쉬를 통해서 계자에 직류전류를 공급하는 방식이다. 속응성이 우수하고, 정지형으로 유지보수가 편리성으로 현재 대부분 신설 발전기의 여자기로 채용하는 방식이다.

정지형 여자방식

○ 특징

(1) 여자장치가 모두 정지기기이다.
(2) 회전정류기의 정류자 제거로 보수가 용이하다.
(3) 발전기의 전체중량이 감소된다.
(4) 발전기의 설치면적이 감소된다.
(5) 전압제어의 속응성이 향상되며, 전압변동이 적어진다.
(6) 접촉저항에 의한 손실이 크고, 마모에 의한 주기적인 유지보수가 필요하다.

[참고] 회전정류자형 여자방식(Brushless Type)

회전정류자형 여자방식(Brushless Type)

자동전압조정장치
(AVR, Automatic Voltage Regulator)

자동전압조정장치

AVR은 동기발전기의 단자전압을 검출하여 기준전압과 비교하여 그 차이가 없어지도록 계자전류를 자동으로 제어하는 장치이다.

“[전력계통신뢰도 및 전기품질 유지기준-지경부] 정격 20MVA이상의 동기발전기의 경우, 자동전압조정장치는 발전기의 전 운전범위에 걸쳐서 정상상태 단자전압을 설정치(Set Point)의 ±0.5% 이내로 유지할 수 있는 성능을 갖추어야 한다.”

(1) 정상 운전시
발전기의 무효전력의 제어를 통해 단자전압을 일정하게 유지시키는 기능

(2) 부하 급변시
신속한 전압 회복, 부하차단시의 급격한 전압상승을 억제로 과도안정도 향상

전력계통안정화 장치(PSS)

동기발전기의 구조

PSS는 발전기의 AVR에 부가 설치된 장치로 발전기 회전자 진동을 감소시키기 위한 보조신호를 여자시스템(Excitation System)에 공급하여 계통을 안정화시키기 위한 장치이며, 우리나라의 경우는 “[전력계통신뢰도 및 전기품질 유지기준-지경부] 전력시장에 신규로 진입하는 500MVA이의 동기발전기는 계통안정화장치를 구비하여야 한다. 발전사업자는 전력계통특성에 적합하도록 계통안정화장치의 운전특성을 유지하여야 하며, 매6년마다 이를 점검하여야 한다. 전력거래소의 계통검토 결과 점검이 필요하다고 판단된 경우에도 발전사업자는 계통안정화장치의 운전특성을 점검하여야 한다.”

※ PSS의 작용

PSS의 작용

계자자속(Φf)은 회전자의 토크나 속도(T=kΦfΦa sinδ)에 영향을 주기 때문에 발전기의 출력을 일정부분 제어가 가능하다. 이러한 원리를 이용하여 어떤 원인(AVR에 의한 자동전압 제어시, 계통의 고장시)에 의해서 발전기가 일정한 속도를 유지하지 못하고 진동하는 경우에 PSS를 통해 여자시스템을 제어함으로써 발전기가 댐핑(제동)하도록 하여 전력계통의 과도안정도 향상에 기여한다.

회전계자형을 주로 사용하는 이유

1) 3상의 전기자 권선이 고정되어 있으므로 권선의 배열 및 결선이 용이
2) 전기자 권선은 고전압(10~30kV), 계자권선은 저전압(~수백 V)으로 절연에 유리
3) 회전자인 계자의 인출선이 2가닥으로 슬립링 및 브러시의 수도 그 만큼 감소
4) 기계적으로 견고하게 제작이 가능
5) 회전자의 관성 증가가 용이하여 과도안정도를 향상에 기여

원통형 회전자

[원통형 회전자]

돌극형 회전자

[돌극형 회전자]

슬립링과 브러시

[슬립링과 브러시]


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