동기발전기의 원리

동기발전기 구조(3상 회전계자형)

대형발전기에서 주로 쓰는 회전계자형 동기발전기는 위와 같다.
계자는 터빈과 연결되어 있어 터빈 회전에 따라 회전하게 된다.
여자장치는 슬립링과 브러시를 통해 계자에 전원을 넣어줄 수 있게 되고 전자석화 시킨다.
(소형발전기에서는 영구자석을 쓰기도 한다. 대형발전기에서는 여자기을 이용한 전자석을 많이 사용한다.)
전기자 권선은 a,b,c상에 연결되어 있어 발생시킨 전류를 내보낸다.

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2. 동기발전기의 구조와 역할

동기발전기 원리
기본적으로 패러데이법칙을 따른다. E=dΦ/dt 시간의 변화에 따라 자기장이 변화하면 전기에너지(기전력)을 발생시킨다.
회전계자형에서는 고정자에 코일이 있고, 회전자에 자석이 회전하게 된다. 터빈이 회전함에 따라 자석이 회전하게 된다. 자석이 회전함에 따라 자석이 코일에게 주는 자기장의 크기가 시간에 따라 변하게 된다. 코일 폐회로에 수직으로 지나는 자기장이 변하면서 코일에서 기전력이 발생한다.

E=dΦ/dt 에 따라 자기장이 발생한 후 90° 위상 차이로 기전력이 발생하는 것을 확인 할 수 있다.

동기발전기 속도(2극기 기준)
자석 1회전 = 1주기의 기전력
2극기에서는 기계각과 전기각이 일치한다. 자석이 한바퀴 도는 것과 전기에너지 발생의 1주기가 동일하다.

그러므로 자석이 60rps로 회전한다면 -> 60Hz의 기전력이 발생한다.

동기속도 Ns = (120 x f) / p 이다.
우리나라에서는 60Hz 전기를 사용하므로 p(극수)에 따라서 동기속도Ns가 변화함을 알 수 있다. 극수를 많게 해주면 전자석의 회전속도를 느리게 해줘도 60Hz의 기전력 생성이 가능하고, 극수가 적다면 회전속도가 빨라야 60Hz의 기전력 생성이 가능하다. 상황에 맞게 극수를 사용하고, 이에 따라 저속기, 고속기 발전기로 나눌 수 있다.

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1. 동기발전기의 발전 원리와 특징

대형발전기는 대부분 회전계자형을 사용한다. 이유는?
1. 안정적이다.

전기자 권선(코일 측)은 고전압, 계자권선(자석 측)은 저전압이다.
자석 측에는 여자를 위한 저전압 밖에 영향을 못미치지만 코일 측은 발생한 전기가 흐르는 곳이다.

회전계자형은 계자권선(자석)이 회전하는 형태이다. 전기자권선(코일)은 고정되어 있다.
회전전기자형은 전기자권선(코일)이 회전하는 형태이다. 계자권선(자석)은 고정되어 있다.
당연히 고전압 측이 회전하는 것보다 저전압 측이 회전하는게 안정적이다.

2. 슬립링 브러시 사용 갯수가 적어진다.

슬립링이 움직이는 와중에 브러시가 맞닿아 있는 형태이므로 마찰이 발생하며 접촉저항이 커진다.
최대한 슬립링, 브러시를 적게 사용하는게 안정성에 유리하다.

회전계자형은 계자측을 여자시키기 위해 연결되어있는 슬립링과 브러시가 2개 연결되어 있다.
회전전기자형은 움직이는 코일에 슬립링과 브러시를 연결해야한다. 3상 대형발전기 기준으로 코일은 a,b,c상에 접지까지 총 4개의 슬립링과 브러시를 연결해야 한다.

그러므로 슬립링과 브러시를 적게 사용하는 회전계자형이 유리하다.

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3. 동기발전기에서 '회전계자형'을 주로 사용하는 이유