동기발전기 원리·구조

왜 배우는가: 동기발전기는 화력·수력·원자력 발전소의 핵심 발전기이며, 계통 주파수와 전압을 함께 결정하므로 발송배전 운영과 설계의 출발점이다. 발송배전기술사 시험에서는 발전원리, 구조, 회전계자형 채택 이유가 기본 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제137회 2교시 3번, 제117회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

동기발전기는 계자에 직류를 공급해 회전자가 만든 자계가 고정자 권선과 쇄교하여, 회전자 속도와 동기된 교류 기전력을 유도하는 교류발전기이다.

핵심 키워드

• 동기속도(synchronous speed)
• 계자(field)와 전기자(armature)
• 유기기전력(induced EMF)
• 돌극형·원통형 회전자
• 회전계자형·회전전기자형
• 슬립링(slip ring)과 브러시
• 동기 임피던스
• 여자(excitation)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 동기발전기는 자석을 돌려 전기를 만드는 장치이다. 자석이 돌면 그 주위의 자기장도 같이 돌고, 이 자기장이 코일을 가로지르면서 코일에 교류 전압이 생긴다. 다만 자석 역할을 하는 자속은 직류로 만들어야 하므로 외부에서 직류 전원을 넣어 준다.

정식으로 정의하면, 동기발전기는 고정자 권선에서 발생하는 교류 기전력의 주파수 f가 회전자 극수 p와 회전속도 Ns에 의해 정해지는 교류발전기이다. 이때 회전자 속도와 전기 주파수가 항상 일정한 관계를 유지하므로 '동기'라는 이름이 붙었다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

동기속도는 회전 자계가 회전하는 속도로, 주파수와 극수에 의해 정해진다. 식은 $N_s = \frac{120f}{p}\ [\text{rpm}]$ 이며, N_s는 동기속도(rpm), f는 주파수(Hz), p는 극수이다. 예를 들어 60Hz, 4극이면 1,800rpm이다.

계자는 직류 여자로 자속을 만드는 부분이고, 전기자는 교류 기전력이 유기되는 권선 부분이다. 현대 대형기는 계자를 회전자에, 전기자를 고정자에 두는 방식을 쓴다.

유기기전력은 자속이 권선을 쇄교하면서 생기는 전압이다. 자속이 시간에 따라 변하므로 교류가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

19세기 말 전력 시스템이 교류로 바뀌면서 대용량 교류 전원을 만드는 발전기가 필요해졌다. 직류기는 정류자 때문에 고전압·대용량에 한계가 있어, 정류자 없이 교류를 직접 뽑는 동기기가 발전용으로 자리 잡았다.

동기발전기의 필요성은 계통 운영에서 나온다. 여러 발전기가 같은 주파수로 병렬운전하려면 회전속도가 극수와 주파수로 고정되어야 한다. 그래서 같은 계통 안의 발전기는 모두 동기 속도로 돌고, 부하 변동에 따라 출력과 무효전력을 조절할 수 있다.

또한 터빈 구동 발전기는 고속 회전이 필요하고, 수차 구동 발전기는 저속 대극수 구조가 필요하다. 동기기 구조가 이 두 조건을 모두 수용할 수 있어 발전소 형식에 따라 구조를 나눠 쓰게 되었다.

4. 구성요소·원리·절차

동기발전기는 회전하는 자속을 이용해 고정자 권선에 교류 기전력을 유도하는 기계다. 구성은 고정자, 회전자, 여자장치의 세 부분으로 나눠 설명하면 답안 구조가 명확해진다.

고정자는 전기자 권선을 감은 정지부다. 전기자 철심은 규소강판을 적층해 와전류손을 줄이고, 내주의 슬롯에 3상 권선을 넣는다. 권선은 분포권과 단절권을 써서 고조파를 억제하고 파형을 정현파에 가깝게 만든다. 고정자는 기계의 출력 단자와 직접 연결되므로 절연 설계가 중요하다.

회전자는 계자권선에 직류를 흘려 자극을 만드는 부분이다. 저속 수차발전기에 쓰이는 돌극형은 극이 돌출되어 직경이 크고 축방향 길이가 짧다. 고속 터빈발전기에 쓰이는 원통형은 표면에 슬롯을 파서 계자권선을 넣으며, 풍손과 소음을 줄이고 기계적 응력을 견디도록 만든다.

여자장치는 계자전류를 공급한다. 슬립링과 브러시로 직류를 회전자에 넣는 방식과, 교류 여자기의 출력을 정류해 회전축 내부에서 공급하는 무브러시 방식이 있다. 자동전압조절장치(AVR)가 여자기 출력을 제어해 단자전압을 일정하게 유지한다.

표의 다섯 요소 중 고정자와 회전자가 기계의 핵심이다. 여자장치와 슬립링은 전압 제어와 직류 공급을 담당한다. 회전자 형식은 원동기의 회전 속도에 따라 결정된다.

유도 기전력의 원리는 패러데이 법칙이다. 회전자 자극이 돌면 고정자 권선을 쇄교하는 자속이 시간에 따라 주기적으로 변한다. 그 결과 권선에 정현파 기전력이 유도된다. N극과 S극이 번갈아 지나가므로 유도 전압의 방향도 주기적으로 바뀐다.

회전자 속도와 극수가 정해지면 주파수가 일정하게 유지된다. 회전 속도가 계통 주파수와 같이 동기된다는 뜻에서 동기속도라 한다.

$f = \frac{p N_s}{120}$

p는 극수, N_s는 동기속도(rpm), f는 주파수(Hz)다. 식을 바꾸면 N_s = \frac{120 f}{p} 이다. 예로 60Hz 4극 발전기의 동기속도는 N_s = \frac{120 \times 60}{4} = 1800 rpm 이다. 2극이면 3600rpm, 4극이면 1800rpm으로 터빈 구동 범위에 맞는 상식적인 값이다.

1상 유기기전력의 크기는 E = 4.44 f N \phi k_w 로 구한다. f는 주파수(Hz), N은 1상 직렬 권수, φ는 극당 자속(Wb), k_w는 권선계수다. 자속과 권수를 키우면 기전력이 커지고, 분포권과 단절권은 k_w를 낮춰 고조파를 줄인다.

동기발전기의 운전 절차는 다음과 같다.

• 여자기가 직류 계자전류를 회전자 권선에 공급한다.
• 원동기가 회전자를 동기속도로 구동한다.
• 회전 자속이 고정자 권선을 쇄교해 3상 유기기전력을 만든다.
• 부하 전류가 흐르면 전기자 반작용으로 단자전압이 변한다.
• AVR이 계자전류를 조정해 단자전압을 목표값으로 유지한다.

구성도에서 원동기와 여자장치가 회전자에 입력을 주고, 고정자에서 계통으로 출력이 나간다. 계자 자속과 고정자 권선의 관계를 화살표로 보이면 원리 설명과 연결된다.

5. 관련 법령·기준·표준

동기발전기는 「전기사업법」에 따른 전기설비의 일부이며, 설계와 시공 기준은 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. KEC는 2021-01-01부터 시행되어 구 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다. 기계의 정격은 계통 조건과 함께 정한다.

정격 주파수와 허용 범위는 계통 운용에서 가장 먼저 확인하는 값이다. 정격 역률은 발전기가 공급할 수 있는 유효전력과 무효전력의 조합을 정하는 기준이다. 동기속도 식은 주파수와 극수로 회전 속도를 정하는 근거다.

단락비는 수차발전기가 터빈발전기보다 큰 편이다. 단락비가 크면 동기 임피던스가 작아 전압 변동이 작고 안정도가 좋아진다. 반면 기계가 커지고 가격이 올라간다. 설계 단계에서 이 두 요소를 함께 검토한다.

발전기의 여자 방식과 AVR 특성은 계통 안정도와 직결되므로 계통 연계 조건과 함께 확인한다. 계통 주파수와 전압은 운용 기준의 허용 범위 안에 있어야 하며, 동기투입 시에는 전압 크기, 위상, 주파数이 맞아야 한다.