자동전압조절장치(AVR)

왜 배우는가: 자동전압조절장치(AVR)는 발전기 단자전압을 일정하게 유지하는 핵심 제어장치라서 실무 운전과 계통 안정도에 직결된다. 부하 변동과 고장 시 전압 회복, 과전압 억제를 담당하므로 1교시 용어 문제와 3교시 동작특성 논술에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제111회 3교시 2번, 제98회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

자동전압조정장치(AVR)는 동기발전기의 단자전압을 검출하여 기준전압과 비교하고, 그 차이가 없어지도록 계자전류를 자동 제어하는 장치다.

• 자동전압조정장치(AVR)
• 단자전압 검출
• 기준전압(설정치)
• 계자전류 제어
• 무효전력 제어
• 전압 정정(Set Point)
• 과도안정도 향상
• 여자시스템

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, AVR은 발전기 출력 전압이 부하에 따라 흔들리지 않도록 여자(field) 전류를 자동으로 늘리고 줄이는 자동 조절기다. 발전기 부하가 커지면 단자전압이 떨어지는데, AVR이 여자전류를 키워 전압을 되돌린다.

정식 정의는 다음과 같다. AVR은 발전기의 단자전압을 측정하여 기준전압과 비교하고, 그 편차를 오차 신호로 만들어 계자전류를 조정하는 폐루프 피드백 제어장치다. 전압이 높아지면 계자전류를 줄이고, 낮아지면 계자전류를 늘린다.

원리는 유기기전력 식으로 설명한다. 발전기 무부하 단자전압은 E = K \cdot \phi \cdot N 형태이며, 자속 \phi는 계자전류 I_f에 따라 변한다. 따라서 I_f를 조절하면 E와 단자전압이 바뀐다. AVR은 이 관계를 이용해 I_f를 자동으로 조절한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 검출부: 발전기 단자 PT로 전압을 측정하고 정류한다.
• 비교부(기준부): 측정값과 설정치(Set Point)의 차이를 구한다.
• 증폭부: 오차 신호를 증폭하여 여자기 제어 신호로 바꾼다.
• 여자기 출력부: 계자전류를 공급하는 전력 변환 회로(사이리스터 등)다.

AVR은 단순히 전압만 맞추는 장치가 아니다. 정상 운전 중에는 무효전력을 제어해 전압을 유지하고, 부하 급변 시에는 전압 회복과 과전압 억제를 담당한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 발전기는 여자기를 사람이 수동으로 조작했다. 부하 변동이 크거나 계통 규모가 커지면 수동 조작으로는 전압을 허용 범위 안에 두기 어렵다. 그래서 전압을 자동으로 감시하고 즉시 보정하는 장치가 필요해졌다.

초기 AVR은 전기기계식(electromechanical)이었다. 이후 반도체 소자를 쓰는 고체형 AVR이 보급되었고, 현재 신설 발전기는 대부분 정지형 여자방식과 함께 디지털 또는 반도체 AVR을 채용한다. 정지형 여자방식은 여자기용 변압기와 사이리스터 정류기로 직류를 만들어 슬립링과 브러시를 통해 계자에 공급하며, 속응성이 우수하다.

필요성은 세 가지로 요약된다. 첫째, 부하 변동에도 단자전압을 일정하게 유지하여 수용가 기기의 정상 동작을 보장한다. 둘째, 2대 이상의 발전기가 병렬 운전될 때 무효전력을 적정하게 분담시킨다. 셋째, 과도 상황에서 전압 회복을 빠르게 하여 계통 안정도를 높인다.

정격 용량이 큰 발전기일수록 AVR 성능 요구가 엄격해진다. 정격 20MVA 이상 동기발전기의 자동전압조정장치는 발전기 전 운전범위에서 정상상태 단자전압을 설정치의 ±0.5% 이내로 유지할 수 있어야 한다(전력계통신뢰도 및 전기품질 유지기준). 이 기준은 대용량 발전기 AVR이 왜 중요한지를 보여 준다.

4. 구성요소·원리·절차

AVR 은 발전기 단자전압을 검출하여 설정값과 비교하고, 그 편차가 0이 되도록 계자전류를 제어하는 피드백 제어장치다. 구성요소는 검출부, 기준부, 비교·증폭부, 여자 출력부로 나뉜다.

구성요소 표의 역할 칸은 설계 기능이므로 구체 회로는 제조사마다 다르다. 답안에는 기능 단위로 쓴다.

원리는 다음과 같다. 부하가 증가하면 전기자 반작용과 전압강하로 단자전압이 떨어진다. AVR 은 이 편차를 검출하여 계자전류를 증가시킨다. 계자전류가 커지면 유도기전력 E_f 가 커져 단자전압이 회복된다. 기전력과 전압의 관계는 다음 식으로 나타낸다.

$E_f = V_t + jX_s I_a$

여기서 E_f 는 내부 유도기전력(V), V_t 는 단자전압(V), X_s 는 동기리액턴스(Ω), I_a 는 전기자 전류(A)이다. 무효전류의 크기와 방향에 따라 E_f 를 조정하면 무효전력이 제어된다.

AVR 의 동작 절차는 다음과 같다.

• 발전기 단자전압을 PT 로 검출하고 정류·평활하여 직류 신호로 변환한다.
• 설정 기준전압과 비교하여 오차신호를 만든다.
• 오차신호를 증폭하고 안정화 보상을 거친다.
• 여자 출력부가 여자기 계자전류를 증감시킨다.
• 계자전류 변화가 단자전압에 반영되어 오차가 0에 가까워진다.

여자 방식에 따라 AVR 출력이 가는 곳이 다르다. 정지형 여자방식은 AVR 이 사이리스터 정류기의 점호각을 제어하여 계자에 직류를 공급한다. 브러시리스 방식은 AVR 이 여자기의 계자를 제어한다. 속응여자방식은 여자기 천정전압과 응답 속도가 커서 과도 안정도 향상에 유리하다.

AVR 은 단자전압 편차를 검출하여 계자전류를 자동 제어하는 폐루프 장치다

피드백 제어, 오차신호, 계자전류, 속응여자가 답안 핵심어다.

정격 20MVA 이상 동기발전기의 자동전압조정장치가 전 운전범위에서 정상상태 단자전압을 설정치의 ±0.5% 이내로 유지하는 범위

그림은 AVR 블록 구성도를 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 기준은 「전력계통신뢰도 및 전기품질 유지기준」이 대표적이다. 정격 20MVA 이상 동기발전기에 대해 자동전압조정장치의 성능을 규정한다. 이 기준에서는 발전기의 전 운전범위에서 정상상태 단자전압을 설정치의 ±0.5% 이내로 유지할 수 있어야 한다고 정한다.

전기설비의 보호 측면은 「한국전기설비규정(KEC)」과 발전기 보호장치 기준에서 다룬다. AVR 용 PT 와 과전압 계전기용 PT 는 분리하는 것이 바람직하다. 과전압 계전기는 한시형을 쓰고 정정은 정격전압의 120~130%로 정한다.

관련 기준 수치를 표로 정리하면 다음과 같다.

위 표에서 AVR 성능 기준은 정상상태 전압 유지 정도다. 과전압 계전기 정정은 보호 목적이므로 AVR 제어 성능과 구분한다.

개정 연혁은 근거에 명시된 바가 없어 쓰지 않는다. 기준 체계는 현행 KEC 체계로 쓴다. 구 전기설비기술기준의 판단기준은 대체되었다.

해외 기준은 이름과 개념 차이만 쓴다. 미국과 국제 기준에서도 AVR 은 발전기 여자계통의 한 부분으로 다루며, 국내 기준의 수치와 직접 비교하지 않는다.

AVR 의 성능은 정상상태 전압 유지 범위와 함께 과도 응답 특성으로 평가한다. 과도 응답은 계통 안정도와 연결되므로, 전압 유지 기준과 안정도 기준을 함께 본다.

계통 측면에서 PSS 는 AVR 과 함께 사용되어 저주파 진동을 억제한다. AVR 단독으로는 감쇠 능력이 부족할 수 있으므로 PSS 를 병행한다.

6. 유형과 비교

자동전압조정장치는 여자방식과 제어방식에 따라 나뉜다. 여자 전원을 어디서 얻는지, 제어를 아날로그로 하는지 디지털로 하는지가 구분 기준이 된다. 아래 표는 대표적인 두 방식을 비교한 것이다.