강의노트 전동기/발전기

기계적인 부하, 터빈 그리고 직류 전동기/발전기

직류 전동기/발전기(DC Motor/Generator)

전력 시스템에는 부하 중 상당한 부분이 펌프, 팬, 승강기, 압력 절단기 그리고 여러 종류의 기계적인 도구와 장치들이며 이들의 공통점은 이들을 구동하는 것이 전동기라는 것이다. 따라서 전력 시스템과 관련한 실험을 하기 위해서는 이러한 부하들을 정확하게 모의하는 것이 중요하다. 그러나 이러한 기계적인 부하를 일일이 실험 장치로 구현하기에는 어려움이 있다.

적절하고 합리적인 해결책은 이러한 부하들을 합성하여 하나의 부하로 표현하고 그것을 직류 발전기와 전동기로 모의하는 것이다. 발전기의 구동축을 전동기에 연결하여 기계적 부하를 변경하면 쉽게 우리가 원하는 만큼 부하를 변화시킬 수 있다. 따라서 직류 발전기로 기계적인 부하를 모의하기 위해서 직류 전동기/발전기(DC Motor/Generator)가 실험 장치에 포함되어 있다.

대규모 발전기는 디젤엔진, 가스 터빈 또는 증기 터빈과 같은 큰 운동체에 의해 구동될 수 있다. 수력(물의 낙차, 강, 바다의 조수)을 이용할 수 있는 곳에서는 수차를 이용할 수 있다. 터빈에 의해 전달되는 기계적인 에너지는 물의 흐름이나 흡입되는 증기 혹은 가스의 양을 조절함으로써 제어할 수 있다.

하지만 물, 증기 또는 가스 터빈을 실험실로 가져올 수는 없는 일이므로 직류 전동기를 대신 사용한다. 전동기에 의해 발생되는 기계적 에너지는 쉽게 제어할 수 있으므로, 여러 종류의 터빈의 동작을 큰 오차 없이 모의할 수 있다.

직류 전동기/발전기는 위에서 언급한 다양한 터빈의 동작을 할 수 있는 직류 전동기로 사용할 수 있다.

4극 농형 유도 전동기와 3상 권선형 유도 전동기

4극 농형 유도 전동기

4극 농형 유도 전동기는 이와 같은 모든 산업용 전동기를 대표한다. 이것은 하나의 대형 전동기를 나타내거나, 수백 개의 소형 전동기를 합친 것을 나타낸다고 생각할 수 있다.

대형 전동기는 소형 전동기에 비해 관성이 크기 때문에 ¼마력 전동기로 대형 전동기와 유사한 특성을 내기 위해 플라이휠을 사용하는 것이 좋다. 이 플라이휠은 쉽게 축에 끼워서 사용할 수 있다.

3상 권선형 유도 전동기

몇몇 특별한 경우에 있어서는 권선형 유도 전동기가 농형 유도전동기 대신 사용될 수 있다. 이는 본질적으로 농형 유도 전동기는 3상 권선형 유도 전동기 동일한 특성을 가지고 있기 때문이다.

발전기, 동기 전동기, 동기 조상기와 동기 전동기/발전기

교류 발전기

1[MW]에서 1,000[MW]가 넘는 용량의 발전소에서 사용되는 발전기는 증기 터빈에 의해 구동되고 높은 속도로 회전한다. 증기 터빈의 통상적인 회전 속도는 1800[r/min] 혹은 3600[r/min]이다. 수력 발전에 사용되는 발전기는 보통 수차의 가장 효율적인 속도에 따라 낮은 속도로 회전한다.

빠른 속도로 회전하는 터빈 발전기는 작은 직경과 긴축의 회전자로 되어 있는 반면, 수차 발전기는 느린 속도로 회전하며 큰 직경과 짧은 길이의 회전자로 되어 있다.

회전 속도의 높고 낮음에 상관없이 터빈 발전기와 수차 발전기의 전기적인 특성은 아주 유사하다. ¼마력 동기 전동기/발전기(Synchronous Motor/Generator) 모듈은 대형 발전기의 특성을 아주 유사하게 나타내도록 만들어져 있다. 그래서 우리가 대규모 전력 시스템의 특성을 공부하기 위해 이와 같은 소형 전동기를 사용해도 유사한 결과를 얻을 수 있다.

동기 전동기

농형 유도 전동기가 대부분의 산업 현장에서 사용되지만 동기 전동기는 수백[kW] 이상의 전력이 필요할 때 종종 사용된다. 이렇게 사용되는 주요한 두 가지 이유는 다음과 같다.

• 대형 저속 동기 전동기는 제작비가 저렴하다.
• 동기 전동기는 전기 에너지 비용을 줄일 수 있도록 역률 1에서 동작할 수 있다.

동기 전동기는 농형 권선 및 직류 권선을 가지는 돌극 회전자로 되어 있다. 3상 동기 전동기/발전기 실험 장비도 동일한 방법으로 제작되어, 대형 산업용 동기 전동기와 동일한 특성을 보인다.

동기 조상기

동기 조상기는 사실 무부하로 동작하는 거대한 동기 전동기이다. 이 동기 조상기는 장거리, 고전압 송전 선로의 전압을 조절하는데 사용된다. 3상 동기 전동기/발전기는 동기 조상기로 동작할 수 있고 대형 동기 전동기처럼 무효 전력을 흡수하거나 발생시킨다.