11. 동기발전기 고정자 철심 과열에 따른 출력 제한

11. 동기발전기 고정자 철심 과열에 따른 출력 제한

동기발전기가 낼 수 있는 출력은 여러 제약들에 의해 제한된다.
동기발전기의 출력을 제한하는 요인 4가지에 대해서는 앞에서 공부해봤다.
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10. 동기발전기의 출력제한요인 4가지

출력을 제한하는 요인은 4가지 중 첫 번째는 열적인 제한이었다.
열적인 제한은
(1) 계자 권선의 과열
(2) 전기자 권선의 과열
(3) 고정자 철심 단부 과열
로 나눠지는데
오늘은 이 중 (3) 고정자 철심 단부의 과열이 왜 발생하게 되는지 알아보자.

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1. 고정자 철심 단부
2. 고정자 철심 단부에서 과열이 발생하는 이유

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1. 고정자 철심 단부

앞에서 공부한 동기발전기(회전계자형) 구조를 보면
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2. 동기발전기의 구조와 역할

안쪽에서 자석(계자)이 회전하고 있고 바깥쪽에 코일(전기자)이 고정되어 있다.

동기발전기(회전계자형) 구조

터빈이 회전함에 따라서 자석이 회전하면 코일을 지나는 자기장의 크기가 시간에 따라 변하고
코일에서 유기기전력이 발생되어 전류가 흐르게 된다.

위의 그림을 다르게 표현해보면

동기발전기 회전계자형 구조

(A,A')(B,B')(C,C') 전기자 코일이 감겨 있는 고정자 철심이 녹색이고
계자권선이 감겨있는 회전자를 중간에 표현했다.
회전자는 계자권선이 감긴 채로 고속으로 회전하게 되는데 Retain Ring은 회전하는 중에 계자권선이 회전자를 이탈하지 않도록 잡아주는 역할을 한다.


여기에서 저여자, 진상운전을 하게 되면 고정자 철심의 단부에 과열이 발생할 수 있다.

동기발전기 고정자 철심 단부에 과열 발생

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2. 고정자 철심 단부에서 과열이 발생하는 이유

고정자 철심 단부에서 과열이 발생하는 이유는 자속의 흐름 중 누설자속의 영향과 관련이 있다.

회전자는 자석(계자)이기 때문에 자기장을 만들어 낸다. 회전자의 자속이 철심에 영향을 주는 방향은 자속과 누설자속 화살표와 같다.

동기발전기 계자(회전자)에서 발생하는 자속 누설자속

이 두 자속 중 누설자속의 양이 많아지면 고정자 철심 단부에서 과열이 발생하게 된다.


○ 그러면 어떤 경우에 누설자속의 양이 많아질까?

저여자운전, 즉 회전자인 계자에 공급해주는 계자전류를 줄였을 때 나타난다.
동기발전기 V곡선에서 보면

동기발전기 v곡선 저여자, 진상운전

계자전류를 줄였을 때 저여자, 진상운전임을 알 수 있다.
이때 누설자속이 굉장히 크게 나타난다.

동기발전기 V곡선
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8. 동기발전기 V곡선 (과여자, 저여자 특성)

○ 왜 저여자, 진상운전일 때 누설자속이 많이 나타날까?

Retain Ring의 포화와 관련이 있다.
Retain Ring은 자성체이다. 그러므로 전류가 많이 흐르면 포화가 된다.
회전자인 자석(계자)의 크기에 비해 Retain Ring의 크기는 매우 작으므로 포화되기 쉽다.

과여자, 지상운전일 때 전류가 많아 Retain Ring이 포화되고
저여자, 진상운전일 때 전류가 적어 Retain Ring이 포화되지 않는다.

자성체가 포화되면 자기저항이 매우 커져서 자속이 지나가기 어렵다.

동기발전기 과여자, 지상운전에서 Retain Ring 포화

자성체가 포화되지 않으면 자기저항이 매우 작아서 자속이 지나가기 쉬워서 누설자속이 많아진다.

동기발전기 저여자, 진상운전에서 Retain Ring이 포화되지 않으면서 누설자속 많이 발생

○ 누설자속이 많아지면 왜 철심의 단부에서 과열이 나타날까?

누설자속이 와류손을 발생시켜 열이 나게 된다.
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15. 와전류 손실(철손)이란 무엇인가?

금속판과 같이 넓은 면적의 금속을 지나는 자기장의 크기가 시간에 따라 변하면 와전류가 발생해서 열이 발생한다.
이를 방지하기 위해서 철심은 적층해서 사용한다.

철심을 한덩어리로 사용하면 와전류 많이 발생, 얇은 판을 적층하면 와전류 감소

이렇게 적층해서 철심을 사용하면 와전류를 획기적으로 줄일 수 있다.


동기발전기의 고정자 철심에서도 이렇게 얇은 판을 적층해서 사용한다.

동기발전기 고정자 철심은 얇은판을 적층해서 사용

만약 위처럼 누설자속 없이 자속이 발생하게 되면 적층이 효과를 발휘할 수 있다.


그런데 누설자속이 발생하게 되면 적층한 부분이 아닌 옆면으로 들어오면서 적층이 효과가 없어진다.
그러면 누설자속에 의해 고정자 철심 단부에 많은 와류손이 발생, 이로 인한 과열이 발생하게 된다.

누설자속에 의해 고정자 철심 단부에 과열 발생

그래서 동기발전기 출력제한조건으로 고정자 철심 단부의 과열한계를 둬야 한다.

동기발전기 저여자, 지상운전에서 고정자 철심단부 과열을 막기 위한 출력 한계 필요