유도발전기

왜 배우는가: 유도발전기는 소수력·풍력 등 계통연계형 소형 발전에 널리 쓰이며, 동기발전기와 달리 여자 전류를 외부에서 받아야 하는 고유 특성 때문에 발전 원리와 운전상 한계를 함께 묻는 문제가 반복해서 출제된다. 낙차가 작은 수력 설비의 경제성 문제와도 직결된다.

출제 이력: 제104회 4교시 2번, 제99회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

유도발전기는 회전자가 고정자 회전자계보다 빠른 속도로 회전할 때 유도 전기를 발생시키며, 무여자로는 전압을 만들 수 없는 유도기 기반 발전기다.

• 유도발전기(Induction Generator)
• 슬립(Slip)
• 무효전력 공급
• 여자 전류(Magnetizing Current)
• 계통연계형 발전
• 자기여자(Self-excitation)
• 직결 수차
• 주파수 자율 조정 불가

2. 개념 풀이

유도발전기는 구조가 농형 유도전동기와 같은 유도기다. 전동기로 쓰던 기계를 원동기로 회전시키면 발전기가 된다. 쉽게 말해 전기를 만드는 방향으로 돌리는 유도전동기다.

정식으로는 고정자가 만드는 회전자계보다 회전자가 더 빠르게 돌 때 회전자 도체에 기전력이 유도되고, 그 전류가 전력을 계통으로 내보내는 기계다. 이때 회전자 속도가 동기속도보다 높으므로 슬립(슬립)은 음(-)의 값이 된다.

여자 전류는 고정자 권선에 자속을 만들기 위해 필요한 무효전력이다. 유도발전기는 이 무효전력을 스스로 만들지 못하므로 계통 또는 콘덴서에서 받아야 한다. 이것이 동기발전기와 가장 크게 다른 점이다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 슬립: 동기속도와 회전자 속도의 차이를 동기속도로 나눈 값이다. 발전 운전에서는 회전자가 동기속도보다 빨라 슬립이 음이 된다.
• 여자 전류: 자속 형성에 필요한 지상 무효전류다. 무부하 여자 전류는 정격 전류에 비해 상당한 크기의 무효 전류이다.
• 자기여자: 잔류자기로 시동하는 방식이다. 유도발전기는 잔류자기가 없어 외부 전원이나 콘덴서로 여자를 시작해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

소수력 발전에서는 설치비를 줄이는 것이 중요하다. 수차와 발전기를 패키지로 공급하는 방식이 많이 쓰이는데, 계통에 연계된 소수력 설비는 값싼 유도발전기로 설치비와 제어 부담을 줄일 수 있다.

풍력 분야에서도 유도발전기가 초기에 널리 쓰였다. 정속 운전 풍력 시스템은 증속기와 유도발전기를 조합해 한전 계통 주파수에 맞춘다. 이 구조는 계통이 전압과 주파수를 정해 주는 연계 운전에 적합하다.

반면 독립 전원이나 계통이 약한 곳에서는 전압과 주파수가 스스로 안정되지 않는 단점이 드러난다. 따라서 유도발전기는 계통연계를 전제로 설계되는 것이 일반적이다. 최근에는 가변속 운전과 인버터 연계 방식이 늘면서 동기형·영구자석형 발전기가 더 많이 채택되는 추세다.

여자 전류 필요

4. 구성요소·원리·절차

유도발전기(Induction Generator)는 농축 없이 고정자에 교류를 공급받는 회전기이다. 구조는 농형 또는 권선형 회전자와 고정자로 이루어지며, 고정자 권선은 계통이나 외부 무효전력원에 연결된다. 원리상 회전자가 동기속도보다 빠르게 회전하면 유도 제동 토크가 발생하여 유효전력이 계통으로 공급된다.

표의 구성은 유도발전기가 자기여자를 하지 못하므로 외부 무효전력원이 반드시 필요하다는 점을 보여 준다. 고정자 권선은 자화전류를 받아 회전자계를 만들고, 회전자는 그 회전자계와의 상대운동으로 유도전류를 얻는다.

유도발전기는 회전자가 동기속도보다 빠르게 회전할 때 유효전력을 계통에 공급한다.

유효전력 공급 원리를 절차로 쓰면 다음과 같다.

• 계통 또는 콘덴서로부터 고정자에 무효전력(여자 전류)을 공급한다.
• 원동기가 회전자를 동기속도 이상으로 회전시킨다.
• 회전자계와 회전자의 상대 속도(슬립 부호 반전)로 회전자에 유도전류가 흐른다.
• 회전자 토크가 원동기 기계 입력과 평형을 이루며 유효전력이 고정자를 통해 계통으로 나간다.
• 계통 주파수와 전압은 계통이 결정하며 발전기 자체로는 조정되지 않는다.

발전 시 슬립은 음(-)이 되며, 출력은 P = 3 V I \cos\theta 로 계산한다. 여기서 P는 출력(W), V는 선간 또는 상전압(V), I는 선전류(A), \cos\theta는 역률이다. 유도발전기는 무효전력을 흡수하므로 역률은 지상 쪽이 되고 콘덴서로 보상한다.

5. 관련 법령·기준·표준

유도발전기는 전기설비 기준의 적용을 받는다. 국내에서는 「전기사업법」과 전기설비 기준으로서 한국전기설비규정(KEC)이 적용된다. 발전설비 연계에 관해서는 계통연계 기술기준이 함께 적용된다. 정확한 조항 번호는 여기서 쓰지 않고 기준 이름만 제시한다.

표의 기준 값은 설계 입문서에서 널리 쓰이는 수치다. 자화전류 비율은 유도기 일반 특성으로, 계통 연계 시 무효전력 보상 설계의 출발점이 된다. 전기설비 기준은 현행으로 한국전기설비규정이 적용된다.

개정 연혁으로는 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'이 한국전기설비규정(KEC)으로 대체된 것이 핵심이다.

무효전력 보상과 계통 연계, 자화전류를 함께 이해해야 전기설비 기준의 요구를 충족할 수 있다.

6. 유형과 비교

유도발전기는 회전자 구조와 계통 연결 방식에 따라 나눌 수 있다. 농형(Squirrel cage)과 권선형(Wound rotor)은 회전자 구조에 따른 구분이고, 계통 연계형과 독립형은 전력 공급 방식에 따른 구분이다. 소수력 발전에서는 계통 연계형 유도발전기가 계통연계를 전제로 가장 많이 쓰인다.

농형은 구조가 간단하고 보수가 쉬워 소수력 계통연계형에 주로 쓰인다. 권선형은 슬립 조정이 가능하지만 슬립링과 브러시 관리가 필요하다. 동기발전기는 독립운전과 전압 조정에 강하나 여자 장치와 조속 제어가 필요하다.