10. 동기발전기의 출력제한요인 4가지

10. 동기발전기의 출력제한요인 4가지

동기발전기가 낼 수 있는 최대의 출력은 정해져 있다.
일반적으로 전력기의 출력이라고 하면 P(유효전력), Q(무효전력) 중에 P를 말한다.
P(유효전력) = V(전압) x I(전류)로 표현할 수 있다.
그러므로 출력의 제한이라고 하면 전압의 제한 혹은 전류의 제한이다.

발전기의 출력을 제한할 수 있는 요인에 대해 알아보자.

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발전기 출력을 제한하는 요인
1. 열적인 제한
2. 정태안정도 한계에 의한 제한
3. 샤프트(Shaft)의 기계적 강도
4. 정격역률

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1. 열적인 제한

첫 번째 출력을 제한하는 요인은 열적인 제한이다.

P(유효전력) = V(전압) x I(전류) 에서
출력의 제한은 전압과 전류의 제한임을 알았다.

여기서 전압에 대한 제한은
전력기기에서 절연과 관련된 부분이다.
절연을 어떻게 해놓았느냐에 따라서 정격전압이 결정된다.

전류에 대한 제한은 열적인 제한과 관련이 있다.
케이블에 전류가 많이 흐르게 되면 열이 발생하게 되는데
케이블을 싸고 있는 절연물이 열화 되지 않는 정도까지 전류를 흘릴 수 있다.



열적인 제한은 세 가지로 나눠진다.
(1) 계자 권선의 과열
(2) 전기자 권선의 과열
(3) 고정자 철심 단부 과열


(1) 계자 권선의 과열
동기발전기의 회전자인 계자에는 '전자석화'를 위해 여자장치에서 전류를 공급해줘야 한다.
이때 계자전류가 흐르는 계자전선의 굵기가 제한적이기 때문에 흘릴 수 있는 전류 역시 제한적이다.

동기발전기 계자전류에 따른 계자권선의 과열

앞에서 공부한 동기발전기 V곡선을 보면
yyxx.tistory.com/162

8. 동기발전기 V곡선 (과여자, 저여자 특성)

V곡선의 역률이 1인 점선을 기준으로 계자전류를 더 늘리게 되면 과여자, 지상운전하게 됨을 확인할 수 있다.

동기발전기 V곡선

그런데 계자전선의 굵기가 제한되어 있기 때문에 흘릴 수 있는 계자전류도 제한적인다.

동기발전기 V곡선 계자전류 제한에 따른 한계선

그러므로 계자전류를 증가시킬 수 없는 한계선이 존재한다.



(2) 전기자 권선의 과열

동기발전기의 고정자인 전기자 역시 굵기가 정해져 있기 때문에 흐를 수 있는 전기자전류가 제한되어있다.

동기발전기 전기자전류에 따른 전기자권선의 과열

동기발전기 V곡선을 보면

동기발전기 V곡선 전기자전류 제한에 따른 한계선

역률 1을 기준으로 계자전류가 많아지든 적어지든 전기자전류가 계속 증가함을 볼 수 있다.
여기에서도 전기자권선의 굵기에 따라 전기자전류 제한에 의한 한계선이 존재한다.


(3) 고장자 철심 단부 과열에 따른 제한

고정자 철심 단부 과열에 따른 제한도 나타난다.

동기발전기 V곡선 고정자 철심단부 과열에 따른 한계선

동기발전기 V곡선 진상운전쪽에서 대각선의 한계선이 존재한다.

+다음에 자세히
yyxx.tistory.com/165

11. 동기발전기 고정자 철심 과열에 따른 출력 제한

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2. 정태안정도 한계에 의한 제한

두 번째 출력을 제한하는 요인은 정태안정도 한계이다.

앞에서 공부한 전력상차각곡선을 보면 알 수 있다.
yyxx.tistory.com/163

9. 동기발전기의 안정도(전력상차각 곡선)

발전기에서 낼 수 있는 출력(Pe)은 상차각(δ)과 관련이 있다.
발전기의 출력식 - Pe = EVsinδ / Xs 을 그래프로 그리면 전력상차각 곡선이 된다.

전력상차각 곡선, 상차각 90도에서 최대출력

상차각이 커질수록 출력(P)도 커지다가 상차각 90º에서 최대출력이 된다.


그리고 상차각이 90º를 넘어 기울기가 음수가 되면 안정된 상차각을 찾아가지 못하고 발전기과속(동기탈조)가 일어나게 된다.

전력상차각 곡선, 기울기 음수가 되면 발전기 과속(동기 탈조)

그러므로 상차각 90º를 출력의 제한요소라고 할 수 있다.
그리고 상차각 90º에서의 최대출력(Pmax)를 정태안정도의 한계라고 한다.

안정된 발전기 운전을 위해서는 실질적으로 최대출력의 50%이하로 발전기를 운전하고
상차각으로 보면 15º~20º로 운전한다.

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3. 샤프트(Shaft)의 기계적 강도

세 번째로 출력을 제한하는 요인은 샤프트(Shaft)의 기계적 강도이다.
풍력 발전기면 바람, 수력 발전기면 물에 의해 터빈이 회전하게 된다.

동기발전기의 샤프트(Shaft)

터빈(원동기)이 회전함에 따라 기계적 입력이 샤프트를 통해 계자로 전달되고 계자가 회전하게 된다.
이때 샤프트(Shaft)의 강도가 약해서 기계적 입력을 버티지 못하면 부서져 버릴 수 있다.

그래서 출력에 맞는 적당한 강도의 샤프트를 설치해야 한다.

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4. 정격역률

네 번째로 발전기 출력을 제한하는 요인은 정격역률이다.
정격역률은 발전기가 유효출력을 내면서 어느 정도의 무효전력을 공급, 흡수할 능력을 갖게 설계했는지 여부를 말한다.

정격역률을 높여서 '1'에 가깝게 0.9, 0.95 이런식으로 설계하게 되면
대부분 유효전력을 공급하게 되고 무효전력에 대한 공급, 흡수 능력은 적게 갖게 된다.

반대로 정격역률을 낮은 수치로 설계하게 되면 많은 양의 무효전력을 공급, 흡수할 능력을 갖게 된다.
이런 정격역률의 수치에 따라 출력이 달라질 수 있다.


과거에는 정격역률 수치를 낮게 설계해서 발전기에서 부하가 필요한 유효전력과 무효전력을 대부분 공급했다.
그러나 발전기가 무효전력을 많이 만들게 되면 발전기의 크기가 커지고 무거워지고 비싸진다.

효율이 떨어지기 때문에 현재는 발전기의 정격역률 수치를 0.9~0.95 정도로 높게 설계한다.
발전기에서는 거의 유효전력만 만들고 부족한 무효전력은 부하 주변에 커패시터나 리액터와 같은 조상설비를 설치해서 공급한다.
발전기가 무효전력까지 흡수, 공급하면 좋겠지만 커지고 비싸지는 단점 때문에 조상설비를 이용하는 게 훨씬 효율적이고 경제적이다.