2. 동기발전기의 구조와 역할

2. 동기발전기(Synchronous Generator)의 구조와 역할

앞에서 동기발전기의 원리와 특징에 대해 알아보았다.
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1. 동기발전기의 발전 원리와 특징

이번에는 동기발전기는 어떤 구조로 이루어져 있고
각각 구조들이 어떤 역할을 하는지 알아보자.

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1. 동기발전기의 구조와 역할

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1. 동기발전기의 구조와 역할

동기발전기를 간단히 그림으로 표현한 모습이다.(회전계자형)

동기발전기(회전계자형) 회전자(계자)와 고정자(전기자)

동기발전기는 크게 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)로 나눠진다.
대부분의 동기발전기는 '회전계자형'으로 멈춰있는 고정자는 코일(전기자)이고 회전하는 회전자는 자석(계자)이다.

소형발전기에서는 회전자인 자석을 '영구자석'으로 쓰기도 하지만
중대형 발전기에서는 전부 '전자석'을 사용한다.

*전자석 : 전류가 흐르면 자기화되고, 전류를 끊으면 원래의 상태로 되돌아가는 자석
영구자석으로는 얻을 수 없는 매우 강력한 자기장을 얻을 수 있다.


전자석에 코일을 감고 전원 공급해줘야 자기장을 발생시킬 수 있으므로 외부에서 전원을 연결시켜줘야 한다.
그래서 필요한 부분이 여자장치(Exciter)이다.

동기발전기(회전계자형) 여자장치, 슬립링(Slip Ring), 브러시(Brush)

여자장치에서 공급한 전원에 의해 전자석이 자기장을 발생시킬 수 있다.

그런데 여자장치에서 전원이 공급되어 만들어진 자기장은 항상 일정하지 않다.
여자장치에서 전원을 얼마나 공급하냐에 따라서 과여자 되기도 하고 저여자 되기도 한다.
이렇게 조절하면서 무효전력을 얼마나 공급할지 결정한다.
여자장치는 무효전력 공급과도 관련이 있다.

그런데 그림을 보면 자석에 감아놓은 코일을 통해 전원을 공급해줘야 하는데 자석이 회전하고 있으므로 전원 공급하기가 쉽지 않다.
그래서 필요한 장치가 슬립링(Slip Ring)과 브러시(Brush)이다.
이 두 장치에 의해 회전하는 중에도 전원을 공급할 수 있다.
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2. 무효전력의 역할

여자장치가 무효전력 공급과 관련이 있었다면
발전기에서 유효전력 공급과 관련 있는 부분은 터빈(원동기)이다.

동기발전기(회전계자형) 터빈(원동기)

터빈은 유체 흐름으로부터 에너지를 추출하여 유용한 일로 변환하는 회전식 기계장치이다.
예를 들어
풍력이면 바람을 맞아서 회전하게 되고
수력이면 물의 흐름에 따라 회전하게 된다.
이 힘에 따라 원동기(Prime mover, Turbine)가 회전하고 이 힘이 자석(계자)에 전달되어 회전하게 된다.
이때 발생하는 전력이 유효전력이다.


유효전력과 관련 있는 터빈(원동기) 회전 속도는 조속기(Governor)에 의해 제어된다.
이런 속도 제어는 어떤 걸 보고 판단할까?
계통의 주파수를 보고 판단한다. 우리나라는 60Hz 주파수를 사용하므로 이 수치보다 낮아지면 발전기를 더 빠르게 돌리고 60Hz보다 높아지면 발전기 속도를 낮춰서 돌린다.

예를 들어
2극기의 동기발전기에서 전기를 생산 중이라고 하면 60Hz 주파수의 전기를 만들기 위해서는 60rps(1초에 60바퀴)로 자석이 회전해야 한다.

동기발전기 2극기에서는 자석이 1초에 60바퀴 회전해야 60Hz의 전기를 만들 수 있다.

그런데 발전기에 연결된 부하가 많아지면 터빈을 붙들려는 힘이 커진다. 그러면 터빈속도가 느려지게 되고 59.9rps로 떨어지면서 주파수도 59.9Hz로 내려갈 수 있다. 이런 경우 발전기를 더 강하게 돌려서 60rps로 높이게 된다.
이렇게 주파수나 발전기의 속도를 확인하고 제어하는 역할을 하는 부분이 조속기(Governor)이다.