24. 유도발전기 - 유도전동기와의 차이

24. 유도발전기 - 유도전동기와의 차이

앞서 제동권선(Damper Winding)에서 동기기와 유도기의 차이에 대해 알아보았다.
https://yyxx.tistory.com/178

23. 동기기 제동권선(Damper winding)의 역할

유도발전기를 알기 위해서는 유도전동기의 원리에 대해 알아야 한다.
유도전동기를 다시 공부해보고 유도발전기는 어떻게 동작하는지 알아보자.

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1. 유도전동기의 원리
2. 유도발전기 - 유도전동기와의 차이

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1. 유도전동기의 원리

유도발전기의 원리를 알기 전에 앞서 공부한 유도전동기의 회전원리를 알아야 한다.
https://yyxx.tistory.com/85

2. 유도전동기의 회전 원리(1)

https://yyxx.tistory.com/86

3. 유도전동기의 회전 원리(2)

유도전동기를 회전시키기 위해서는 고정자에 3상 교류전류를 공급해야한다.

유도전동기 고정자에 3상교류전류 공급

고정자(전기자)에 3상 교류전류를 공급하게 되면 자기장을 만드는 회전자계가 생성되게 된다.

고정자 3상교류전원 공급에 따라 회전자계 생성

교류전류이므로 전류값이 시간에 따라 변하면서 회전자계는 회전하게 된다.

교류전원이므로 고정자 회전자계 회전

고정자 회전자계는 (N극 -> S극)으로 자기장을 형성하고 있는데 회전자계가 회전하므로
회전자 코일을 지나는 자기장의 크기가 시간에 따라 변하게 된다.

유도전동기 고정자 회전자계가 회전함에 따라 회전자 코일을 지나는 자기장의 크기가 시간에 따라 변하고 회전자 코일에 유도전류가 흐름

이때 자기장 변화에 따라 회전자 코일에는 유도전류가 형성된다.


유도전류가 생성된 회전자 코일에도 자계가 만들어지고 이 자계는
고정자의 회전자계를 따라가는 모습을 띠기 때문에 유도전동기는 회전하게 된다.

고정자 회전자계를 따라서 회전자 코일이 회전

이런 원리로 유도전동기가 회전하게 되는데
만약 고정자 회전자계와 회전자코일의 회전속도가 같으면 회전자 코일에서 고정자 회전자계가 만드는 자기장의 크기 변화를 느끼지 못하게 되면서 유도전류가 생성되지 않는다.
그러면 회전자 코일이 힘을 받지 못하고 회전하지 않게 된다.
그러므로 회전자계의 회전속도와 회전자 코일의 회전속도의 차이인 슬립(Slip)은 반드시 존재해야 한다.
그래서 고정자의 회전자계 회전속도보다 회전자 코일의 회전속도가 조금 느리다.

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2. 유도발전기 - 유도전동기와의 차이

유도발전기도 유도전동기와 같은 원리로 발전이 이루어진다.
위의 유도전동기의 원리에서 보듯 유도기는 회전자의 회전자계와 고정자의 회전자계가 상호작용하면서 유효분의 전달이 이루어지는데
고정자에서 회전자로 유효분전력(P)의 전달이 이루어지면 전동기가 되고

고정자에서 회전자로 유효분전력이 전달되면 전동기가 된다.

회전자에서 고정자로 유효분전력(P)의 전달이 이루어지면 발전기가 된다.

회전자에서 고정자로 유효분전력이 전달되면 발전기가 된다.

그리고 유도기라면 전동기든 발전기든 슬립(Slip)은 존재한다.
슬립은 동기속도(Ns)와 회전자 회전속도(N) 차이이다.
슬립 s = (Ns - N) / Ns
으로 슬립이 '0'에 가까울수록 고정자의 회전자계속도와 회전자의 회전속도가 비슷해지는 것이고
슬립이 '1'에 가까울수록 고정자의 회전자계속도가 회전자의 회전속도 보다 빨라지게 된다.

유도전동기에서는 고정자의 회전자계를 회전자가 따라가는 형태이므로
고정자의 회전속도(동기속도Ns)가 회전자의 회전속도(N)보다 빠르다.
그러므로 슬립 s = (Ns - N) / Ns 값은 0~1사이의 값이 된다.

유도발전기에서는 회전자의 회전속도(N)가 더 빠르다.
그러므로 슬립 s = (Ns - N) / Ns 값은 음(-)의 값을 가진다.


슬립값에 따라서 유도전동기와 유도발전기를 그래프로 나타내면 다음과 같다.

슬립에 따른 전동기, 발전기 곡선

그래프를 보면 슬립(s)이 0~1사이 일때는 전동기가 되고 슬립(s)이 음수가 되면 발전기가 되는 모습을 볼 수 있다.
전동기 영역을 보면 동기속도(Ns)에 도달할 때까지 토크를 높여가는데
토크를 높이다가 회전자 속도(N)가 동기속도(Ns)에 도달하게 되면 슬립(s)이 '0'이 된다.
회전자 속도와 동기속도가 같아지게 되면 슬립이 없어지면서 회전자에 더 이상 유도전류가 흐르지 않게 되기 때문에 자기장이 사라지면서 토크가 '0'이 되는 모습을 볼 수 있다.
동기속도를 넘어가지 못하기 때문에 전동기 영역에 머물게 된다.

이때 발전기 모드로 바꿔주고 싶다면 회전자의 회전속도(N)를 동기속도(Ns) 보다 더 빠르게 하면 된다.
그러기 위해서는 터빈(원동기)을 빨리 돌려줄 수 있는 외부의 기계적인 입력이 필요하다.
터빈이 빨리 돌아가면서 회전자 회전속도(N)가 증가하게 되면 슬립(s)이 '0'보다 작아지면서 빨간색 그래프에서 파란색 그래프로 넘어가게 되고 발전기 역할을 할 수 있게 된다.