23. 동기기 제동권선(Damper winding)의 역할

23. 동기기 댐퍼권선(Damper winding)의 역할

동기기 회전자 표면에는 특수한 바(bar)를 넣고 각 끝을 단락 시킨 구조의 제동권선이 존재한다.
유도전동기의 농형회전자와 유사한 구조인데
동기기에서 제동권선이 왜 필요한지 알아보자.

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1. 동기기 제동권선(Damper winding) 구조
2. 유도기 동기기 차이
3. 동기기 제동권선 역할
4. 제동권선 난조 방지, 기동토크 발생 원리

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1. 동기기에서 제동권선(Damper winding) 구조

아래는 동기기에서 제동권선을 나타냈다.

동기기 제동권선(Damper winding)

동기기의 회전자 표면에 특수한 바(bar)를 넣고 각각의 끝을 단락 시킨 구조로 유도전동기의 농형회전자와 유사한 구조를 갖는 것을 볼 수 있다.

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권선형 유도전동기와 농형 유도전동기

권선형 유도전동기와 농형 유도전동기. 댐퍼권선은 우측의 농형유도전동기와 유사한 구조

https://yyxx.tistory.com/96

13. 권선형 유도전동기의 특징과 '기동법'이 필요 없는 이유

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2. 유도기 동기기 차이

유도기와 동기기는 어떤 부분이 다른가?

유도전동기의 회전원리는 앞에서 확인해 보았다.
https://yyxx.tistory.com/85

2. 유도전동기의 회전 원리(1)

https://yyxx.tistory.com/86

3. 유도전동기의 회전 원리(2)

유도전동기는 고정자에 3상 교류전류를 공급함에 따라서 회전자계가 생성된다.

고정자에 공급되는 전류는 교류전류이기 때문에 회전자계의 위치는 시간에 따라 변하게 된다.
그러면 회전하는 부분인 회전자 코일을 지나는 자기장(회전자계에 의한)의 크기가 시간에 따라 변하게 되고 코일에 유도전류가 생성된다.
새롭게 생성된 유도전류와 자기장을 자석처럼 보면 회전자 코일은 움직이는 회전자계를 따라가는 극(N,S)을 띤다.
그러므로 회전자계의 회전을 회전자 코일이 따라가면서 유도전동기가 회전하게 된다.

그래서 유도전동기에서는 유도전류 발생이 필수다.
회전자계의 회전속도와 회전자코일의 회전속도 차이를 슬립이라고 하는데
슬립이 있어야 코일을 지나는 자기장의 변화가 있기 때문에 유도전류가 발생할 수 있다.
https://yyxx.tistory.com/88

5. 유도전동기에서 Slip(슬립)이 필요한 이유

이렇게 슬립(Slip)이 발생하면 유도기이다.


슬립(Slip)이 생기지 않으면 동기기라고 볼 수 있다.
동기기는 전원의 주파수와 딱 맞는 속도로 회전자가 회전하고 이 속도를 '동기속도'라고 한다.

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3. 동기기 제동권선 역할

동기기에서 제동권선을 어떤 경우에 쓸까?
(1) 동기기에서 난조(hunting) 발생을 억제하는데 사용한다.
(2) 모터의 기동시 기동토크를 만들어 스스로 기동 할 수 있게 한다.



(1) 동기기에서 난조(hunting) 발생을 억제하는데 사용한다.

전력계통에서 모든 동기발전기는 동기속도로 운전한다.
그런데 계통에 사고가 났다던지 계통의 부하가 급변했다던지 하는 외란이 일어났다고 해보자.
이런 경우 동기를 놓치게 된다.
동기속도로 돌아가던 어떤 발전기 몇 대가 빨라지기도 하고 느려지기도 한다.
빨랐다가 느려졌다를 반복하는 난조(hunting)가 발생할 때 전력계통에 안정화를 위해서 빨리 동기속도로 다시 돌아와야 하는데 그런 역할을 해주는 게 뎀퍼권선(Damper Winding)이다.


(2) 모터의 기동시 기동토크를 만들어 스스로 기동 할 수 있게 한다.

동기전동기에는 기동토크가 없다.
그래서 보조적인 방법으로 기동해야 하는데 이 부분은 굉장히 큰 단점이다.
이때 제동권선이 있다면 유도전동기처럼 기동(Self-Starting)할 수 있기 때문에 보조적인 기동수단을 쓸 필요가 없다는 장점이 있다.

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4. 제동권선 난조 방지, 기동토크 발생 원리

(1) 제동권선의 난조(hunting) 방지 원리

평소 정상 운전상태에서 동기발전기의 회전자는 회전자계와 같은 동기속도로 회전하고 있다. 속도 차이가 없으므로 회전자계가 만드는 자기장의 변화(N->S)를 회전자의 제동권선이 느끼지 못한다.

그런데 외란이 발생하여 회전자가 동기속도(회전자계속도)보다 빨라지거나 느려지면 회전자계가 만드는 자기장의 변화(N-S)를 회전자의 제동권선에서 느끼게 된다. 여기서부터는 위의 유도전동기와 같은 원리에 의해서 제동권선에 유도전류가 흐르고 자계(자기장)가 발생한다.


○ 부하 감소, 계통의 단락사고로 인해 회전자가 빨라지는 경우

Damper Winding에 의해 회전자속도가 동기속도보다 빨라지면 역토크가 발생한다.

동기속도보다 빨라지면 역토크가 발생하여 회전자를 느리게 만들어서 동기속도로 다시 돌아오게 만든다.



○ 부하 증가, 대형 발전기 탈락 사고로 인해 회전자가 느려지는 경우

Damper Winding에 의해 회전자속도가 동기속도보다 느려지면 회전토크가 발생한다.

동기속도보다 느려지면 회전토크가 발생하여 회전자를 빨라지게 만들어서 동기속도로 다시 돌아오게 만든다.



(2) 제동권선의 기동토크 발생 원리

동기기의 경우 기동시작시에 기동토크가 없기 때문에 보조적으로 회전자를 회전시켜줘야 한다.
만약 2극기 60Hz의 발전기라면 기동 시작하자마자 3600RPM 속도, 아주 빠른 속도로 회전자계가 회전하게 된다.
그런데 기동시작할 때 회전자는 멈춰있다.

기동시작시에 너무 빠르게 회전하는 회전자계를 회전자가 따라갈 수 없기에 보조적인 수단이 필요하다.

기동이 시작되면 회전자계를 회전자가 따라가야 하는데 회전자계가 너무 빨리 회전하다 보니 회전자가 따라가지 못한다.
그래서 보조전동기로 초기에 회전자(자석)를 어느 정도 돌려주고 회전자계를 따라갈만하면 보조전동기를 빼주는 방법을 사용하던지,
인버터를 이용해 고정자 회전자계 속도를 줄여서 회전자를 회전시키다가 점점 주파수를 올리는 방법을 사용해야 한다.
동기기는 기동토크가 없기 때문에 이런 보조적인 수단을 사용해야 한다.

하지만 제동권선이 있으면 이런 보조적인 수단들 없이도 기동 토크를 얻을 수 있다.
회전자계가 회전함에 따라 제동권선을 지나는 자기장의 크기가 시간에 따라 변하게 되면서 제동권선에 유도전류와 자계가 생성된다. 그러므로 기동토크를 만들어 낼 수 있다.