1. 동기발전기의 발전 원리와 특징

1. 동기발전기(Synchronous Generator)의 전기 생성 원리와 특징

우리가 사용하는 전력계통 발전기는 대부분 동기발전기이다.
발전기에서 전기를 만드는 원리와 동기발전기의 특징에 대해 알아보자.

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1. 발전기에서 전기를 만드는 원리
2. 동기발전기 3상 발전
3. 동기기의 특징(유도기와 비교)

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1. 발전기에서 전기를 만드는 원리

발전기에서 전기가 만들어지는 원리는 기본적으로 '패러데이의 법칙'을 따른다.
yyxx.tistory.com/129

17. 패러데이 법칙과 렌츠 법칙(Faraday's Law, Lenz's Law)

패러데이 법칙에 따르면

전기에너지(E) =dφ/dt

패러데이 법칙

시간(t)에 따라 자기장(φ)이 변하면 전기에너지(E)가 만들어진다.



아래와 같이 폐코일(면을 형성하고 있는 코일)이 있을 때

폐코일에 자기장이 지나감

주위에 N극과 S극 자석이 있다면 코일을 지나는 자기장이 형성된다.
이 자기장에 의해 코일에 전류가 흐른다.


이때 유효한 자기장은 면에 수직으로 통과하는 자기장이다.

면백터와 나란한 자기장이 유효

즉, 면벡터(ds)와 나란한 자기장만이 유효하다.



자석을 시계방향으로 회전시켜서
코일을 지나는 유효한 자기장의 크기를 시간에 따라 계속 변하게 하면 코일에 전류가 흐르게 된다.

코일을 지나는 자기장의 크기를 시간에 따라 변경

① 면을 수직으로 지나는 자기장이 최대이므로 가장 큰 전기에너지를 만든다.

② 자석을 시계방향으로 회전시키면 수직 성분이 줄어드므로 전기에너지가 작아지다가
자석이 코일과 수평이 되면 유효한 성분이 없어지기 때문에 전기에너지가 0이 된다.

③ 자석을 계속 회전시키면 다시 코일면을 지나는 수직성분이 많아지기 때문에
전기에너지가 다시 커지다가 최대가 된다.

④ 자석이 계속 회전하면 전기에너지가 작아지다가 수평이 되면서 다시 전기에너지가 0이 된다.

코일을 지나는 자기장의 크기가 변하면서 전기에너지 생성

이 과정을 반복하면 COS파형의 전기가 만들어지는 걸 확인할 수 있다.

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2. 동기발전기의 3상 발전

발전기는 '회전전기자형'과 '회전계자형'으로 나눠진다.
코일을 고정시키고 자석을 회전시킬지
자석을 고정시키고 코일을 회전시킬지에 따라 두 가지로 나눠진다.
그런데 소형발전기나 특수한 경우가 아니라면 대부분 '회전계자형'을 사용한다.

아래는 동기발전기를 나타낸 그림이다.

동기발전기 단상발전

'회전계자형'으로 코일이 고정되어 있고 자석이 회전하는 모습을 볼 수 있다.
코일이 한조로 '단상 발전기'이다. 터빈이 회전해서 자석이 회전하면 코일의 면을 지나는 자기장의 크기가
시간에 따라 변하기 때문에 전기에너지가 만들어지게 된다.

회전시켜주는 부분을 원동기(터빈)이라고 부른다. 터빈을 돌려주는 건 어떤 발전기냐에 따라 차이가 있다.
물로 돌리면 수력발전, 바람으로 돌리면 풍력발전, 화력발전소에서는 증기를 이용해 돌리게 된다.


우리가 실제로 발전기에서 만드는 전기는 '단상'이 아닌 '3상'이다.
'단상'이 1조의 코일만 있다면 '3상'은 2조를 더 늘려서 코일 3개조가 있다.
어차피 자석을 한바퀴 돌릴 건데 코일이 많다면 더 효율적으로 전기를 생산할 수 있다.

동기발전기 3상발전

(A,A'), (B,B'), (C,C')가 한조로 되어있는 걸 볼 수 있다.
3상 평형발전을 하기 위해서는 크기를 동일하게 하고 A,B,C 코일의 위상차를 120도로 만들어야 한다.
크기를 동일하기 위해서는 코일을 감아놓은 턴수를 같게 만들어야 한다. 위상차는 그림에서 A,B,C상이 고정자에서 120도 차이를 가지고 배치된 것을 볼 수 있다.


이렇게 발전기에서 만들어진 전력은 승압하여 3상 송전되어 필요한 곳에서 쓰이게 된다.

발전기에서 만들어진 전기에너지가 승압되어 송전됨

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3. 동기기의 특징(유도기와 비교)

유도기의 원리는 앞에서 공부해보았다.
yyxx.tistory.com/85

2. 유도전동기의 회전 원리(1)

yyxx.tistory.com/86

3. 유도전동기의 회전 원리(2)

yyxx.tistory.com/88

5. 유도전동기에서 Slip(슬립)이 필요한 이유

유도기와 동기기의 가장 큰 차이는 동기속도(Ns)와 회전자의 회전속도(N) 차이 여부이다.

유도기의 경우

고정자가 만든 회전자계의 회전 속도(Ns)와 회전자 코일의 회전 속도(N)의 차이가 있다.

유도전동기는 회전자계와 회전자 코일에 속도차이가 있다.

이 차이 때문에 유도전류가 만들어지고 토크가 발생해서 유도전동기가 회전할 수 있게 된다.


그러나 동기기의 경우

2극기를 예로 들면 자석이 1회전하면 속도 차이 없이 그대로 전기에너지가 1주기 만들어진다.
자석이 2회전하면 속도 차이 없이 그대로 전기에너지가 2주기 만들어진다.

동기발전기는 자석의 회전속도와 전기에너지 생성 속도가 같다.

그래서 자석의 회전 속도(N)와 전기에너지가 만든 회전자계 속도(Ns)가 같다.
Ns - N = 0. 그래서 동기기이다.

동기발전기에서 동기속도(Ns)를 식으로 나타내면
Ns = (120 x f) / P 이다.

동기발전기 동기속도(Ns) 공식

( f = 주파수, P = 극수)

우리나라에서 60Hz 주파수를 사용하므로 극수를 높여야 발전기의 속도(Ns)를 낮출 수 있다.
예를 들어
발전기가 고속으로 회전할 수 있는 조건이라면 2극기, 4극기의 자석을 써도 상관없다.
그런데 풍력발전기처럼 천천히 회전하는 발전기의 경우 60Hz 전기를 만들기 위해서는 극수(P)를 높여야 한다.