2021. 6. 5. 00:14ㆍ전기공부/발전기
20. 동기발전기 조속기(Governor) 특성을 알아보자.
동기발전기에는 조속기(Governor)가 설치되어 있다.
조속기란 무엇인지, 어떤 특성을 가지고 있는지 알아보자.
1. 조속기(Governor)란?
2. 조속기의 동작
3. 조속기의 속도조정률
4. 속도조정률에 따른 부하분담 (조속기 자유운전 Governor Free)
1. 조속기(Governor)란?
조속기(Governor)란
발전기 운전 시 터빈을 일정한 범위의 속도로 운전할 때 사용하는 제어장치이다.
동기발전기는 유효전력과 무효전력을 만들어낸다.
유효전력은 터빈이 회전하면 회전자(계자)가 회전하게 되고
이때 생긴 자기장의 변화가 고정자(전기자)에 영향을 주어 만들어진다.
그러므로 유효전력의 공급은 터빈의 회전에 영향을 받는다.
무효전력은 동기발전기의 V곡선에서 보면 알 수 있듯이 여자장치가 계자전류를 적게 공급해서 저여자 운전하면 무효전력을 흡수하게 되고 계자전류를 많이 공급하여 과여자 운전하면 무효전력을 공급하게 되는 것을 알 수 있다.
그러므로 무효전력의 공급은 여자기의 영향을 받는다.
조속기(Governor)는 터빈을 일정한 범위의 속도로 회전하도록 제어하는 역할을 하므로 유효전력의 양을 제어할 수 있는 부분이다.
수력발전기에서는 터빈으로 흘러들어가는 물의 양을 조절하여 터빈의 회전 속도를 제어해주고
증기발전기에서는 터빈에 공급하는 증기의 양을 조절하여 터빈의 회전 속도를 제어해서 유효전력량을 제어한다.
2. 조속기의 동작
조속기는 부하의 변동에 따라서 동작하게 된다.
동기발전기가 전력계통에 연결되어 있다고 해보자.
계통에 연결되어 있는 부하가 많이 있을텐데
만약 부하들의 사용량이 증가한다면 동기발전기에 걸리는 부하의 양이 많아진다.
계통의 부하가 증가하게 되면 동기발전기에 걸리는 부하가 증가하면서 터빈이 회전하기 힘들어진다.
그러면 터빈의 회전속도가 점점 느려지고 주파수도 작아지게 된다.
※ 동기속도(Ns) = (120 x f) / P
에서 극수(P)는 일정하므로 회전속도(Ns)가 떨어지게 되면 주파수(f)가 떨어지게 된다.
발전기는 안정적으로 전력을 공급하기 위해 일정한 속도로 회전할 필요가 있다.
부하가 많아지는 경우 조속기(Governor)는 터빈으로 들어가는 입력량을 늘려줘서 속도가 계속 떨어지지 않고 일정하게 유지될 수 있도록 해준다.
예를 들어 수력발전기에서 부하가 증가하여 회전속도 떨어지고 주파수가 떨어지게 되면
조속기(Gorvernor)는 터빈으로 들어가는 물의 양을 늘려준다.
그러면 발전기의 회전속도가 올라가고 안정적인 새로운 속도점을 찾아 회전할 수 있게 된다.
반대로 부하가 감소하면
발전기의 속도가 점점 빨라지고 주파수가 커지게 된다.
이때는 조속기가 터빈으로 들어가는 물의 양을 줄여준다.
그러면 발전기의 속도를 늦추고 안정적인 새로운 속도점을 찾아 회전할 수 있게 한다.
이렇게 부하에 따라 흔들리는 회전속도와 주파수를
조속기에서 터빈으로 들어가는 입력량을 조절해줌으로써 안정적으로 잡아줄 수 있다.
3. 조속기의 속도조정률
부하에 따라 터빈의 회전속도가 달라질 때 조속기(Governor)는 터빈에 들어가는 입력량을 조절해서 터빈이 일정한 속도로 회전하게 한다.
그런데 이때 터빈의 회전속도는 항상 같은 속도가 아니다.
물론 터빈의 입력량을 조절해서 항상 같은 속도로 만들어주는 '정속도 조속기'가 있긴 하다.
터빈을 항상 같은 속도로 만들어주기 위해서는
터빈이 조금만 느려져도 터빈의 입력량을 늘려주고
터빈이 조금만 빨라져도 터빈의 입력량을 줄여줘야 한다.
즉 굉장히 민감하게 반응해야 하고 어려운 부분이다.
또한 전력계통운영 입장에서 바라봤을 때 이렇게 민감하게 반응하는 건 별로 안정적이 방법이 아니다.
그래서 발전기에 일반적으로 사용하는 조속기는 부하량에 따라서 어느정도 속도를 변화시키는 조속기이다.
부하가 증가하면 터빈 속도는 어느정도 감소하게 되고
부하가 감소하면 터빈 속도는 어느정도 증가하게 된다.
이렇게 조금씩 속도가 변화하는 와중에 안정적이 속도점을 찾아서 발전기를 운영하는 게 일반적인 조속기의 특성이다.
부하의 변화에 따라 어느 정도로 터빈속도를 바꿀지 결정하는 부분이 조속기의 '속도조정률'이다.
자기가 가지고 있는 속도조정률 특성에 따라서 출력과 안정적인 속도를 조절해 나간다.
○ 부하가 증가한 경우
부하 변화량에 따라 얼마나 주파수(회전속도)가 변화할지이기 때문에 조속기의 특성인 '속도조정률'은 그림에서 기울기와 같다고 볼 수 있다.
최초 기존속도점에서 운전하다가 부하가 증가했을 때 기울기에 따라 정해진 만큼 주파수(회전속도)가 감소하게 되고 새로운 속도점에서 운전하게 된다.
○ 부하가 감소한 경우
기존속도점에서 운전하다가 부하가 감소하게 되면 기울기에 따라 정해진만큼 주파수(회전속도)가 증가하게 되고 새로운 속도점에서 운전하게 된다.
속도조정률(기울기)는 조속기의 특성을 나타내는 지표이다.
속도조정률이 크다면 기울기가 커지게 되고 부하 변화에 대해서 주파수 변화(속도변화)가 크다.
속도조정률이 작다면 기울기가 작아지게 되고 부하 변화에 대해서 주파수 변화(속도변화)가 작다. 즉 민감하게 반응하는 조속기가 된다.
4. 속도조정률에 따른 부하 분담 (조속기 자유운전 Governor Free)
속도조정률이 작은 발전기가 더 많은 부하를 분담하게 된다.
계통에 속도조정률이 다른 두 개의 발전기(발전기1,2)가 병렬로 운전하고 있다고 해보자.
두 발전기는 속도조정률에 따라 일정한 부하를 분담하고 있고 같은 주파수에서 일정한 속도로 회전하고 있다.
이때 부하량이 증가하게 되면 발전기1,2의 회전속도는 느려지기 시작한다.
조속기는 이를 감지하고 터빈 입력량을 늘려서 회전속도가 더 느려지지 않고 일정한 속도로 회전하게 만들어준다.
부하증가에 따라 부하 분담을 어떻게 하는지 비교해보면
속도조정률이 작은(기울기가 작은) 발전기1이 부하 변화에 따라 더 민감하게 반응하면서
발전기2보다 더 많은 부하 분담의 증가량을 가져가는 것을 볼 수 있다.
이렇게 발전기에 이미 부여된 속도조정률 특성에 따라서 알아서 부하가 분배되는 운전을 조속기 자유운전(Governor Free)이라고 한다.
○ 부하 분담 조정
새로운 속도점을 찾을 때 주파수가 너무 떨어진다거나 부하 분담이 경제적, 안정적으로 이루어지지 않는 경우 조속기의 무부하속도 설정치를 바꾸면 부하 분담량을 조절할 수 있다.
그림을 보면 부하전력(P)이 0인 경우의 주파수(f) 값이 무부하속도라고 볼 수 있는데 이 값을 더 키우거나 줄임으로써 부하분담량을 조절할 수 있다.
무부하속도를 더 올리면 위로 올라간 녹색선이 되고 거기에 맞는 보라색선을 보면 발전기2의 부하분담이 늘어난걸 볼 수 있다.
무부하속도를 줄이면 아래로 내려간 녹색선이 되고 거기에 맞는 보라색선을 보면 발전기2의 부하분담이 줄어든 것을 볼 수 있다.
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