단상 발전기
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1. 개요
단상 발전기는 자기장과 전기자 간의 상대적 회전을 통해 단상 교류(AC) 전기를 생산하는 전기 기기이다. 회전 전기자 방식과 회전 자계 방식의 두 가지 설계가 있으며, 소형 발전기, 소형 풍력 발전기, 철도 견인 네트워크, 수력 발전소, 증기 발전소, 원자력 발전소 등 다양한 분야에서 사용된다. 초기 전력 발전소에서 널리 사용되었으나, 효율성 향상을 위해 다상 발전기로 대체되는 추세이다.
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- 교류 전력 - 단상 전력
단상 전력은 소규모 지역이나 건물에서 사용되는 교류 전력 전송 방식으로, 초기 AC 전력 시스템 구축 이후 3상 전력 공급이 어려운 곳에서 상 변환기를 사용하거나 철도 전철 시스템, 일본의 저압 배전 계통 등에서 활용된다. - 교류 전력 - 역률
역률은 교류 회로에서 전압과 전류의 위상차를 나타내는 지표로, 유효 전력과 피상 전력의 비율이며, 전력 효율을 높이기 위해 역률 개선 장치와 자동 역률 제어 장치를 사용한다. - 발전기 - 열전 발전기
열전 발전기는 온도 차이를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 제베크 효과와 펠티에 효과를 이용하며, 텔루르화비스무트, 텔루르화납 등의 반도체 재료가 사용되고, 효율을 높이기 위한 연구가 진행 중이다. - 발전기 - 원자력 전지
원자력 전지는 핵 붕괴 에너지를 전기로 변환하는 장치로, 우주 탐사, 의료 기기 등에 활용되며, RTG와 베타전지 등으로 나뉘고, 긴 수명과 높은 에너지 밀도를 가지지만, 방사성 물질 사용에 따른 안전 문제와 규제를 한계로 지적한다.
| 단상 발전기 | |
|---|---|
| 단상 발전기 | |
| 구조 | |
| 고정자 | 전기자 권선이 배치된 고정된 부분이다. 전압이 유도되는 곳이다. |
| 회전자 | 회전 자기장을 생성하는 회전 부분이다. 영구 자석이거나 여자 코일일 수 있다. |
| 작동 원리 | |
| 전자기 유도 | 회전자가 고정자 권선 주위로 회전한다. 회전자의 자기장이 고정자 권선을 가로지르면서 전자기 유도에 따라 전압을 유도한다. 유도 전압은 회전자의 자기장 강도, 권선 수, 회전 속도에 비례한다. |
| 정현파 | 코일의 전압은 사인파형을 따른다. |
| 유형 | |
| 영구 자석 발전기 | 회전자에 영구 자석을 사용한다. |
| 여자 발전기 | 회전자에 자기장을 생성하기 위해 외부 DC 전원이 필요한 여자 코일을 사용한다. |
| 애플리케이션 | |
| 휴대용 발전기 | 소규모 장비에 전원을 공급한다. |
| 백업 전원 시스템 | 정전 시 전원을 공급한다. |
| 자동차 | 자동차에서 배터리를 충전하고 전기 시스템에 전원을 공급한다. |
| 산업 | 산업 장비에 전원을 공급한다. |
| 장점 | |
| 단순성 | 설계 및 작동이 간단하다. |
| 비용 효율성 | 삼상 발전기에 비해 저렴하다. |
| 신뢰성 | 이동 부품이 적어 신뢰성이 높다. |
| 단점 | |
| 제한된 전력 용량 | 삼상 발전기에 비해 전력 용량이 낮다. |
| 진동 | 특정 애플리케이션에서 문제가 될 수 있는 진동을 생성할 수 있다. |
| 효율성 | 삼상 발전기보다 효율성이 낮을 수 있다. |
2. 설계
단상 발전기의 설계 방식에는 크게 회전 전기자 방식과 회전 자계 방식 두 가지가 있다.
- 회전 전기자 방식: 전기자(코일)가 회전하면서 자기장을 끊어 전기를 생성한다. 이 방식은 슬립링과 브러시를 통해 전류를 외부로 전달한다.
- 회전 자계 방식: 전기자가 고정되어 있고 자석이 회전하는 방식이다. 영구 자석을 사용할 경우 슬립링과 브러시가 필요 없다는 장점이 있다.
두 방식 모두 자극 또는 코일의 수를 늘려 출력 주파수를 높일 수 있다.
2. 1. 회전 전기자
회전을 통해 힘의 권선을 절단함으로써, 그 전류를 발생시킨다. 전류는 전기자의 각 단부에서 사용되는 하나의 슬립링 및 브러시의 2세트를 통해 발전기 장비로 송출된다. '''기본 발전기'''라고 부르는 기본 설계[3]는 N극과 S극 사이에서 힘의 권선을 자르는 직사각형 모양 전기자를 뼈대로 한다. 그것은 회전을 통해 힘의 권선을 절단하여 전류를 생성한다. 전류는 2개의 세트의 슬립링과 브러시를 통해 발전기 장치에서 보내지는데, 그 중 하나는 전기자의 각 끝 부분에 사용된다. 이 2가지 극 설계에서는 전기자가 하나의 회전으로 회전할 때 단상 교류의 한 주기가 생성된다. 교류 출력을 생성하기 위해, 전기자는 교류 출력을 원하는 주파수 (헤르츠)와 일치하도록 초당 회전 횟수가 일정한 속도로 회전한다.전기자 회전과 교류 출력의 관계는 위 그림에서 볼 수 있다. 직선의 힘에 대한 전기자의 원운동으로 인해 일정한 속도의 운동에서도 가변적인 힘의 권선이 절단된다. 0도에서 뼈대의 직사각형 팔은 힘의 권선을 절단하지 않으므로 전압 출력이 0이 된다. 전기자 팔이 90° 위치를 향해 일정한 속도로 회전하면서 더 많은 권선이 절단된다. 전기자가 90° 위치에 있을 때 힘의 권선은 대부분 절단되어 한 방향으로 가장 많은 전류가 흐른다. 그것이 180° 위치로 돌면 더 적은 수의 권선이 절단되어 180° 위치에서 다시 0이 될 때까지 더 적은 전압을 제공한다. 전기자가 270° 위치에서 반대 극으로 향하면 전압이 올라가기 시작한다. 이러한 위치를 향해 전류는 반대 방향으로 생성되면서 반대쪽에 최대 전압을 제공한다. 그것이 전체 회전을 마무리하면 전압이 내려간다. 하나의 회전에서 교류 출력은 사인파로 표시된 것처럼 하나의 완전한 주기로 생성된다.
더 많은 자극을 단상 발전기에 추가하여 1회의 회전으로 교류 출력을 1회 이상 생성할 수 있다. 왼쪽의 예에서, 고정자 부분은 동일한 간격으로 4개의 극점을 재구성한다. N극은 2개의 S극에 인접해 있다. 회전자 부분의 전기자 모양도 변형된다. 더 이상 평면 직사각형이 아니다. 팔이 90도 구부러져 있다. 이것은 전기자의 한 쪽이 N극과 상호 작용하는 반면 다른 한 쪽은 2개의 극 구성과 마찬가지로 S극과 상호 작용할 수 있다. 전류는 여전히 2극 구성과 같은 방식으로 2세트의 슬립링과 브러시를 통해 전달된다. 차이점은 교류 출력의 주기가 전기자가 180도 회전한 후 마무리할 수 있다는 것이다. 하나의 회전에서, 교류 출력은 2 사이클이 된다. 이것은 발전기의 출력 주파수를 증가시킨다.
모든 권선의 형상이 동일하기 때문에, 힘의 양은 모든 권선을 동시에 동일한 방향으로 동일한 양을 절단한다. 오른쪽 그림의 정현파에 표시된 바와 같이, 결과적으로 출력 전압이 4배로 올라간다.[4]
2. 2. 회전 자계
회전 자계 발전기는 전기자 부분을 고정자(stator)에, 자기장 부분을 회전자(rotor)에 배치하는 설계 방식이다. 기본적인 회전 자계 단상 발전기의 구조는 위 그림과 같다. 회전자에는 두 개의 자극(N극과 S극)이 부착되어 있고, 고정자에는 직렬로 연결되고 동일한 간격으로 배치된 두 개의 코일이 있다. 두 코일의 권선 방향은 서로 반대인데, 이는 두 코일이 항상 반대 극성과 상호 작용하여 전류가 같은 방향으로 흐르도록 하기 위함이다.[3] 자극과 코일은 동일한 간격으로 배치되어 있고 자극의 위치가 코일의 위치와 일치하므로, 회전자의 어떤 각도에서든 자기력선이 동일한 양으로 절단된다. 따라서 모든 권선에 유도되는 전압은 주어진 시간에 동일한 값을 가지며, 두 코일에서 나오는 전압은 서로 동상이 된다. 결과적으로 총 출력 전압은 각 권선에 유도되는 전압의 두 배가 된다. 그림에서 1번 극과 1번 코일이 만나는 위치에서 발전기는 한 방향으로 가장 높은 출력 전압을 생성하고, 회전자가 180도 회전하면 출력 전압이 반전되어 반대 방향으로 가장 높은 전압을 생성한다. 이 경우 교류(AC) 출력의 주파수는 초당 회전자의 회전 수와 같다.[1]
극의 수를 늘려 출력 주파수를 증가시킬 수 있다. 위 그림의 예시에서는 고정자에 4개의 코일이 직렬로 연결되어 있고 자계 회전자는 4개의 극을 가지고 있다. 코일과 극은 모두 동일한 간격으로 배치되어 있으며, 각 극은 90도 각도로 위치한 인접 극과 반대 극성을 가진다. 각 코일 또한 인접 코일과 반대 권선을 가진다. 이러한 구성을 통해 4개의 극의 자기력선이 주어진 시간에 4개의 코일에 의해 동일한 양으로 절단된다. 각 90도 회전마다 전압 출력 극성이 한 방향에서 다른 방향으로 전환되므로, 한 회전에서 AC 출력의 4개의 사이클이 발생한다. 4개의 코일이 직렬로 연결되어 있고 출력이 "동상"이므로, 이 단상 발전기의 AC 출력은 각 개별 코일에 의해 생성된 전압의 4배가 된다.[3]
회전 자계 설계 방식의 장점은 극이 영구 자석일 경우 코일이 고정되어 발전기에서 외부 부하로 직접 배선할 수 있다는 것이다. 따라서 발전기에서 전기를 꺼내기 위해 슬립 링과 브러시를 사용할 필요가 없다.
3. 소형 발전기
단상 발전기는 사람들이 흔히 접하는 소형 발전기인 경우가 많다. 이러한 발전기는 주 전원 공급이 중단될 경우를 대비한 예비 발전기와 건설 현장 등에서 임시 전력을 공급하는 데 사용된다.[5]
소형 풍력 발전기와 같은 소형 풍력 기술 분야에도 응용된다. 대부분의 풍력 터빈은 삼상 발전기를 사용하지만, 단상 발전기는 정격 출력 55kW 이하의 일부 소형 풍력 터빈 모델에서 찾아볼 수 있다. 단상 모델은 수직축 풍력 터빈(VAWT) 및 수평축 풍력 터빈(HAWT)에서 사용된다.[6][7]
4. 발전소
전기 발전 초기에는 발전소의 발전기가 단상 교류 또는 직류였다. 1895년, 더 효율적인 다상 발전기가 최초의 대규모 다상 전력 발전소인 애덤스 수력 발전소에서 성공적으로 구현되면서 전력 산업의 방향이 바뀌었다.[8] 새로운 발전소들은 다상 시스템을 채택하기 시작했다.
1900년대에는 많은 철도 회사들이 노선의 전철화를 시작했다. 그 당시 단상 교류 시스템은 직류 시스템 외에도 견인 전력 네트워크에 널리 사용되었다. 이러한 단상 견인 네트워크의 초기 발전기는 단상 발전기였다.[9] 일부 현대식 열차에 3상 모터가 도입되었음에도 불구하고, 견인 네트워크를 위한 단상 전송은 오늘날에도 많은 철도에서 사용되고 있다.[10] 그러나 많은 견인 전력 발전소들은 시간이 지남에 따라 발전기를 3상 발전기로 교체하고 송전을 위해 단상으로 변환했다.[11]
일반적으로 원자력 발전소는 전력망에 전력을 공급하기 위해 매우 높은 용량을 가진 기저 부하 발전소로 사용된다. 넥카르베스트하임 I은 넥카르베스트하임에 있는 독특한 원자력 발전소로, 도이치반 철도에 16⅔ Hz의 특정 교류 전압을 공급하기 위한 고용량 단상 발전기를 갖추고 있다.[16]
4. 1. 수력 발전
초창기 수력 발전에서 단상 발전기는 교류의 장점을 입증하는 데 중요한 역할을 했다. 1891년, 100 마력의 3,000볼트, 133 Hz 단상 발전기가 에임스 수력 발전소에 설치되었으며, 이는 펠턴 수차와 벨트로 연결되었다.[12] 전력은 4.2km 케이블을 통해 제분소의 동일한 모터에 전송되었다. 이 발전소는 산업용으로 교류 전력을 생산한 최초의 발전소였으며, 교류 전송의 효율성을 입증했다. 이는 1895년 나이아가라 폭포에 있는 에드워드 딘 애덤스 발전소와 같은 훨씬 더 큰 발전소의 선례가 되었다.[12] 그러나, 더 큰 발전소는 더 큰 효율성을 위해 다상 발전기를 사용하여 운영되었다. 이로 인해 단상 수력 발전의 적용은 경부하와 같은 특수한 경우로 제한되었다.1902년 세인트루이스 시립 발전소에서는 펠턴 수차에 직결된 20kW 단상 발전기가 경부하에 전력을 공급했다. 이것은 공공 상수도 파이프라인의 물 흐름에서 에너지를 포착하기 위한 관내 수력의 초기 시연이었다.[15]
오늘날 단상 수력 발전의 주요 용도는 철도 견인 네트워크에 전력을 공급하는 것이다. 특히 독일의 많은 철도 전기 전송 네트워크는 단상 발전 및 전송에 의존한다. 바이에른의 발헨제 수력 발전소는 높은 발헨 호수에서 물을 가져와 8개의 터빈을 구동하는데, 그 중 4개는 전력망에 전력을 공급하는 삼상 발전기이고, 나머지 4개는 독일 15 kV 교류 철도 전력 공급에 전력을 공급하기 위해 52MW의 총 용량을 가진 펠턴 터빈에 연결된 단상 발전기이다.[13]
미국 펜실베이니아의 세이프 하버 댐 발전소는 공공 유틸리티와 암트랙 철도 모두에 전력을 공급한다. 14개의 터빈 중 2개는 암트랙의 25 Hz 견인 전력 시스템에 전력을 공급하기 위해 2개의 단상 발전기에 연결되어 있으며, 42,500 마력 정격의 5 블레이드 캐플란 터빈 유형이다.[14]
4. 2. 증기 발전
초기에는 증기 기관이 발전기의 원동기로 사용되었다. 1900년대 세인트루이스 시립 전력 발전소는 단상 발전기와 증기 기관을 함께 사용한 사례였다. 세인트루이스 발전소는 복합 증기 기관을 사용하여 1,150 볼트 정격 전력으로 전류를 생산하는 100kW 단상 발전기를 구동했다.[15]20세기 동안 증기 기관은 특정 철도를 위한 단상 전력 분배 시스템을 갖춘 견인 네트워크의 발전소에서도 사용되었다. 1938년 뉴욕시 워터사이드 발전소의 증기 터빈이 장착된 특별한 단상 발전기 세트는 이러한 발전 및 분배 시스템의 예시였다. 단상 발전기는 다른 발전소의 터빈 고장 우려로 인해 1970년대 후반에 결국 퇴역했다. 발전기는 다른 삼상 전력원에서 기존 단상 가선 전력으로 변환하기 위해 두 개의 변압기로 대체되었다. 결국, 변압기는 두 개의 고체 사이클로컨버터로 대체되었다.[8]
4. 3. 원자력 발전
넥카르베스트하임 I은 넥카르베스트하임에 있는 독특한 원자력 발전소로, 도이치반 철도에 16⅔ Hz의 특정 교류 전압을 공급하기 위한 고용량 단상 발전기를 갖추고 있다. 가압 경수로는 187MW 및 152MW 정격의 두 개의 터빈과 발전기로 열에너지를 전달한다.[16]참조
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Module 5—Introduction to Generators and Motors (NAVEDTRA 14177)
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The Walchensee Power Plant. A Technological Jewel in the Alps.
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Neckarwestheim I darf nicht länger laufen. Bundesumweltministerium lehnt Strommengenübertragung von Block II auf Block I ab.
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모듈 5-발전기와 전동기 소개 (NAVEDTRA14177)
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