유도 발전기
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1. 개요
유도 발전기는 전동기가 동기 속도보다 빠르게 회전할 때 전력을 생산하는 장치이다. 원동기(터빈 또는 엔진)가 회전자를 동기 속도 이상으로 구동하면 고정자 자속이 회전자에서 전류를 유도하고, 이로 인해 고정자 코일에서 전력이 발생하여 전기 그리드로 전송된다. 유도 발전기는 슬립이 음의 값을 가지는 상태로 운전되며, 농형과 권선형으로 분류된다. 풍력 터빈 및 소수력 발전 설비에서 회전 속도 변동에 유연하게 대응할 수 있어 널리 사용되지만, 독립적인 전력망 주파수 제어는 어렵다는 한계가 있다.
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| 유도 발전기 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 교류 발전기 |
| 작동 원리 | 전자기 유도 |
| 주요 구성 요소 | 고정자 회전자 |
| 활용 분야 | 풍력 발전 수력 발전 비상 발전기 열병합 발전소 디젤-전기 기관차 |
| 작동 원리 상세 | |
| 원리 | 전자기 유도 현상 |
| 회전자 | 회전 자계 생성 |
| 고정자 | 유도 전류 발생 |
| 슬립 | 동기 속도와 회전자 속도 차이 |
| 유형 | |
| 여자 방식에 따른 분류 | 자기 여자식 타 여자식 |
| 극수에 따른 분류 | 단극 유도 발전기 다극 유도 발전기 |
| 회전자 구조에 따른 분류 | 농형 유도 발전기 권선형 유도 발전기 |
| 장점 및 단점 | |
| 장점 | 구조 간단 유지 보수 용이 병렬 운전 용이 |
| 단점 | 무효 전력 공급 필요 슬립 존재로 인한 효율 감소 |
| 활용 | |
| 풍력 발전 | 풍력 터빈과 연계 |
| 수력 발전 | 소규모 수력 발전소 |
| 비상 발전기 | 정전 시 전력 공급 |
| 열병합 발전소 | 열과 전기 동시 생산 |
| 디젤-전기 기관차 | 디젤 엔진과 결합 |
2. 작동 원리
유도 발전기는 전동기가 동기 속도보다 빠르게 회전할 때 전력을 발생시킨다. 원동기(터빈 또는 엔진)가 회전자를 동기 속도 이상으로 구동하면(음극 슬립), 고정자 자속이 회전자에서 전류를 유도한다. 하지만 반대 방향의 회전자 자속이 고정자 코일을 절단하면서 활성 전류가 고정자 코일에서 발생하고, 전동기는 발전기로서 동작하여 전력을 전기 그리드로 다시 보낸다.
일반적인 전동기 동작에서는 고정자 자속의 회전이 회전자의 회전보다 빠르다. 반면 발전기 동작에서는 원동기(터빈 또는 엔진)가 회전자를 동기 속도 이상으로 구동한다(음극 슬립). 고정자 자속은 회전자에서 전류를 유도하지만, 반대 방향의 회전자 자속은 이제 고정자 코일을 절단하여 전류를 유도한다. 이때 전류는 자화 전류보다 270° 뒤진, 자화 전압과 위상이 같은 전류가 고정자 코일에서 유도된다. 모터는 실제(동상) 전력을 전력 시스템에 공급한다.
60 Hz 전원에 의해 구동되는 4극 모터(고정자에서 두 쌍의 극)의 경우 동기 속도는 분당 1800회전(rpm)이며, 50 Hz 전원에 의해 구동될 때는 1500 RPM이다. 모터는 항상 동기 속도보다 약간 느리게 회전한다. 동기 속도와 작동 속도의 차이를 "슬립"이라고 하며, 종종 동기 속도의 백분율로 표현된다. 예를 들어, 동기 속도가 1500 RPM인 모터가 1450 RPM으로 작동하는 경우 슬립은 +3.3%이다.
2. 1. 유효 전력
라인에 전달되는 유효 전력은 동기 속도 이상으로 슬립에 비례한다. 발전기의 정격 전력은 매우 작은 슬립 값에서 도달한다. 대표적인 예로, 구동 속도가 1860 rpm으로 올라갈 때 최대 출력 전력이 발생한다. 1800 RPM의 동기 속도에서는 발전기가 전력을 생산하지 않는다. 만약 원동기가 발전기를 완전히 구동할 만큼 충분한 전력을 생산할 수 없다면, 속도는 1800 RPM과 1860 RPM 사이 어딘가에 머무르게 된다.2. 2. 토크와 슬립
유도 발전기의 기본 원리는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이다. 이를 위해서는 외부 토크를 통해 회전자를 동기 속도보다 빠르게 회전시켜야 한다. 전기자에서 회전 자계 토크는 회전자의 동작에 대응하고 있기 때문에 반대 방향으로 유도된 움직임에 걸쳐 과속을 방지하기 위해 작동한다. 전동기의 속도가 올라감에 따라 대향 토크는 토크의 최대 값에 도달한다. 이것은 동작 상태가 불안해지기 전까지 동작할 수 있다. 이상적으로는, 유도 발전기는 무부하 상태 및 최대 토크 영역 사이의 안정 영역에 가장 효과적이다.2. 3. 여자(Excitation)
유도 전동기는 회전자에서 전류를 유도하기 위해 고정자 권선에 외부에서 공급되는 전류가 필요하다.[1] 인덕터의 전류는 전압을 시간에 대해 적분한 것이기 때문에, 정현파 전압 파형의 경우 전류는 전압보다 90° 뒤쳐진다.[1] 따라서 유도 전동기는 전력을 소비하고 기계적 전력을 전달하는 전동기든, 기계적 전력을 소비하고 전력을 시스템에 전달하는 경우든 상관없이 항상 무효 전력을 소비한다.[1]회전자 전류를 유도하기 위해 고정자를 위한 자화 플럭스(무효 전력)에 대한 여자 전류원이 여전히 필요하다.[1] 이는 전력망에서 공급받을 수 있으며, 일단 전력을 생산하기 시작하면 용량성 리액턴스에서 공급받을 수 있다.[1] 그리드에 병렬로 연결된 발전 모드의 특징은 회전자 속도가 구동 모드보다 높다는 것이며, 그러면 유효 에너지가 그리드로 공급된다.[1] 유도 전동기 발전기의 또 다른 단점은 상당한 자화 전류 '''I'''0 = (20-35)%를 소비한다는 것이다.[1]
커패시터 뱅크는 단독 운전 모드에서 전동기에 무효 전력을 공급해야 한다.[1] 공급되는 무효 전력은 발전기가 전동기로 작동할 때 일반적으로 소비하는 무효 전력과 같거나 커야 한다.[1]
3. 유도 발전기의 특징
유도 발전기는 슬립 ''s'' < 0의 상태로 운전한다. 동기 발전기에 비해 전력 계통에 접속할 때 발생하는 돌입 전류가 크므로, 이에 대한 대책이 필요하다. 전력 계통으로부터 여자 전류를 얻어야 하므로, 일반적으로 단독 운전이 불가능하다.
4. 유도 발전기의 분류
유도 발전기는 크게 농형과 권선형으로 나뉜다.
- '''농형 삼상 유도 발전기''': 농형 삼상 유도 전동기를 발전기로 운전한다.
- '''권선형 삼상 유도 발전기''': 권선형 삼상 유도 전동기를 발전기로 운전한다.
5. Grid and stand-alone connections
유도 발전기에서 공극 자속을 생성하는 데 필요한 무효 전력은 독립형 시스템의 경우 기계에 연결된 캐패시터 뱅크에 의해 제공되며, 계통 연계의 경우 공극 자속을 유지하기 위해 계통에서 무효 전력을 끌어온다. 계통 연계 시스템의 경우, 기계의 주파수와 전압은 전체 시스템에 비해 매우 작기 때문에 전력망에 의해 결정된다. 독립형 시스템의 경우 주파수와 전압은 기계 파라미터, 여자에 사용되는 정전 용량, 부하 값 및 유형의 복잡한 함수이다.
6. 용도
풍력 터빈과 일부 소수력 발전 설비에서는 회전 속도가 변동하는 상황에서도 유용한 전력을 생산할 수 있다는 장점 때문에 유도 발전기가 자주 사용된다. 유도 발전기는 다른 발전기 유형보다 기계적 및 전기적으로 더 간단하다. 또한 브러시나 정류자가 필요 없어 더 튼튼하다.
7. 한계
유도 발전기는 커패시터 시스템에 연결되어 독립적으로 작동할 수 있을 만큼 충분한 무효 전력을 생성할 수 있다. 부하 전류가 자화 무효 전력과 부하 전력을 모두 공급하는 발전기의 능력을 초과하면 발전기는 즉시 전력 생산을 중단한다. 부하를 제거하고 외부 직류 전동기 또는 존재할 경우 코어의 잔류 자기를 사용하여 유도 발전기를 다시 시작해야 한다.[2]
유도 발전기는 부하에 종속적이며 전력망 주파수 제어에 단독으로 사용할 수 없다.[2]
8. Example application
10 hp, 1760 r/min, 440 V, 삼상 유도 전동기를 비동기 발전기로 사용하는 경우를 예시로 설명한다. 전동기의 정격 부하 전류는 10 A이고, 정격 부하 역률은 0.8이다.
커패시터가 델타로 연결된 경우, 상별 필요한 커패시턴스는 다음과 같이 계산된다.
- 피상 전력
- 유효 전력
- 무효 전력
비동기 발전기로 작동하려면 커패시터 뱅크가 최소 4567 / 3 상 = 상별 1523 VAR을 공급해야 한다. 커패시터당 전압은 440 V이며, 커패시터는 델타로 연결되어 있다.
- 커패시턴스 전류 Ic = Q/E = 1523/440 = 3.46 A
- 상당 커패시턴스 리액턴스 Xc = E/Ic = 127 Ω
따라서 상별 최소 커패시턴스는 다음과 같다.
- C = 1 / (2*π*f*Xc) = 1 / (2 * 3.141 * 60 * 127) = 21 μF.
부하가 무효 전력을 흡수하는 경우, 이를 보상하기 위해 커패시터 뱅크의 크기를 늘려야 한다.
60 Hz 주파수를 생성하려면 원동기 속도를 조절해야 한다. 일반적으로 슬립은 정격 부하 값과 비슷하지만 음수여야 한다. Ns = 1800인 경우, N=Ns+40 rpm을 선택할 수 있으며, 필요한 원동기 속도는 N = 1800 + 40 = 1840 rpm이다.
참조
[1]
논문
Account of the Repetition of M. Arago's Experiments on the Magnetism Manifested by Various Substances during the Act of Rotation
https://archive.org/[...]
2012-12-02
[2]
서적
Electric Machines
Dhanpat Rai and Co.
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