Lecture 동기기 구조 및 분류

동기기

고정자

• 고정자 철심은 두께 0.5mm내외, 규소함유량 2 ~ 4%의 규소강판을 성층하여 만들어지고 일정 간격으로 냉각을 위한 통풍덕트를 둔다.

• 원통형은 회전자 직경이 작은 대신 고정자가 상대적으로 두껍고 돌극형은 회전자 직경이 큰 대신 고정자철심이 얇은 형상을 지니게 된다.

• 도체홈은 보통 냉각이 용이한 개방형이지만 소용량에서는 반폐형이 사용된다. 일반용도의 동기전동기들은 A종이나, B종 그리고 고압 대용량 발전기는 F종 절연을 사용한다.

회전자

원통형 회전자와 돌극형 회전자

• 회전자는 원통형(비돌극형)과 돌극형 두 가지 주요 형태로 나뉩니다. 원통형 회전자는 원통 모양의 표면에 도체홈과 계자권선을 갖고 있습니다. 돌극형 회전자는 계체에 감겨진 코일로 돌출한 형태를 가집니다.
• 회전자의 기본 제약 조건은 외곽 선속도이다. 외곽 선속도는 원심력과 소재의 강성 한계로 인해 제한됩니다.
• 돌극형 회전자는 원통형에 비해 더 낮은 속도로 동작하며, 이는 공기 마찰로 인한 에너지 손실과 소음 때문입니다. (원통형은 175 ~ 180 m/sec, 돌극형은 140 ~ 150m/sec)
• 회전자 반경과 회전속도는 반비례 관계를 가지며, 극수와 회전속도 사이에도 반비례 관계가 있습니다. 반면 반경과 극수는 비례합니다.
• 큰 반경은 더 낮은 속도를 의미하며, 많은 극수는 돌극형 회전자로 만들어집니다.
• 회전자의 용량은 회전자 바깥쪽 표면적에 비례하므로 돌극형은 둘레가 길고 축방향 길이가 짧으며, 원통형은 직경이 작지만 축방향으로 길게 만들어집니다.
• 용량이 너무 커지면 비틀림에 대한 강도 문제로 성층철심을 사용할 수 없으며, 대용량 기기는 축과 회전자를 단조 합금강으로 만듭니다.
• 대부분의 경우 500kW 이하의 기기에서는 자극의 철심과 계철부위가 펀칭된 철심으로 만들어지지만, 더 높은 출력에서는 자극이 따로 만들어지고 계철에 결합됩니다.
• 고속의 4극이나 6극기에서는 돌극형에서도 성층철심을 사용하지 않고 일체형 단조강으로 만들어질 수 있습니다.
• 원통형은 자속 분포가 분포권 형태이며, 각 턴의 기자력이 중첩되어 중앙 자극을 정점으로 한 정현파 모양을 갖습니다.
• 돌극형은 자속 분포를 조정하기 위해 자극머리의 가장자리를 가늘게 만들고, 이로 인해 정현파에 가까운 자속 분포를 얻으며 돌극형의 유효공극은 원통형보다 크고 더 많은 양의 도체를 필요로 합니다.

회전자에 의한 분류

회전 계자형

• 전기자 : 고정자
• 계자극 : 회전자
• 전기자 권선은 전압이 높고 결선이 복잡, 대용량이 되면 전류도 커짐
• 고장시 과도 안정도를 높이기 위하여 회전자의 관성을 크게하기 쉽기 때문

회전 전기자형

• 전기자 : 회전자
• 계자극 : 고정자
• 소용량에 적용

유도자형

• 계자극과 전기자를 함께 고정시키고 그 중앙에 유도자라고 하는 권선이 없는 회전자를 갖춘 것으로 수백 ~ 수만[Hz] 정도의 고주파 발전기로 사용된다.

원동기에 의한 분류

• 수차발전기

  • 수차발전기는 충동형과 반동형으로 나누어집니다.
  • 대표적인 수차로는 프란시스, 카플란, 펠튼이 있습니다. 프란시스와 카플란 수차는 낙차가 작고 유량이 많은 지역에서 사용되며, 수로의 유입구에 수문을 조절하여 동력을 조절합니다. 펠튼 수차는 큰 낙차(50m~100m)에서 고압의 물을 강철 물받이 주위로 분사하여 회전시키는 충동형 수차입니다.
  • 현대의 수차발전기는 최대 동력 변환 효율이 90%를 상회합니다.
  • 원자력발전은 단시간 내에 출력을 조절하기 어렵고, 화력발전은 45시간이 걸리는 데 비해 수력발전은 12분만에 조절 가능하기 때문에 전력시스템에서 중요한 역할을 합니다.
  • 수차발전기는 저속으로 회전하는데, 주로 50~300rpm의 저속을 갖습니다. 대부분 돌극형으로 만들어지며 직경이 큽니다.
  • 수직축 구조는 조립과 분해가 쉽고 홍수 우려가 낮지만 다소 복잡합니다. 축방향으로 작용하는 무게는 쓰러스트베어링으로 지지하고, 좌우 요동을 막기 위한 안내베어링이 사용됩니다. 우산형 발전기는 저속 발전기에 주로 사용되며, 축방향 길이가 짧아 높이가 낮고 경제적이며 조립이 용이합니다.
  • 양수발전소에는 발전-전동기로서 역할을 하는 모터-발전기가 사용된다.
  • 수차용 동기발전기의 용량은 수십MVA에서 수백MVA에 이르며, 최대 용량은 800MW를 넘을 수 있습니다.

• 엔진발전기

  • 디젤, 가솔린, 천연가스 등을 연소시키는 기관으로 구동되는 발전기는 주로 비상용 전원, 병원, 통신설비, 대형 건물, 고립된 지역, 선박, 섬 등에서 사용됩니다.
  • 이러한 발전기의 특징은 다음과 같습니다:
    • 회전속도 범위: 300~1200rpm
    • 용량 범위: 수십kVA~1000kVA
    • 냉각 방식: 자유통풍방식
    • 회전자의 관성이 큰 것이 바람직하며, 돌극형 발전기이며, 필요에 따라 플라이휠이 추가될 수 있습니다.

• 터빈발전기

  • 원통형과 비돌극형 발전기가 사용됨.
  • 고속 발전기는 가스터빈과 증기터빈으로 구동됨.
  • 가스터빈은 공기를 압축하고 연료와 함께 연소하여 회전력을 얻음.
  • 증기터빈은 고압 수증기로 회전력을 얻으며 복잡하지만 효율이 높음.
  • 전 세계 전력의 80%는 증기터빈 발전기로 생산.
  • 복합화력발전 방식도 사용되어 열효율을 높임.
  • 터빈의 크기와 회전 속도는 발전기 용량에 영향을 미침.
  • 발전기 용량을 늘리려면 전류와 자속밀도를 높여야 함.
  • 발전기 냉각은 터보발전기 기술의 핵심이며 수소냉각 방식과 직접냉각 방식을 사용함.
  • 수소냉각은 냉갤 비용을 줄이고 효율을 높이며 안전성을 높임.

• 풍력발전기

  • 풍력발전의 세 가지 주요 요소
    • 풍차: 바람을 받아 회전하는 장치
    • 발전기: 풍차의 회전력을 전기로 변환하는 장치
    • 동력전달장치: 풍차와 발전기를 연결하여 동력을 전달하는 장치
  • 풍차
    • 수백 kW ~ 수 MW의 사업발전에는 날개가 3개인 바람개비형 수평축 풍차가 사용
    • 풍속이 정격풍속 이상이 되면 동력이 더 상승하지 않도록 제한해야 한다.
      • 실속제어: 날개 뒤편에 난류를 생겨 동력이 더 이상 상승하지 못하는 상태(실속상태)에 놓이게끔 날개 형상을 설계하는 방식
      • 피치제어: 바람이 더 수월하게 통과할 수 있도록 날개의 각도를 조정하여 에너지 초과분을 흘려 보내는 방식
  • 발전기
    • 정속형: 발전기의 회전속도가 일정
    • 가변속형: 발전기의 회전속도가 풍속의 변화에 따라 변동
    • 수백 kW급은 정속형 농형유도발전기가 주로 사용
    • 1MW급 이상은 가변속형 권선형유도발전기 또는 동기발전기가 주로 사용
  • 동력전달장치
    • 날개 끝 선속도의 제한 때문에 대형일수록 회전속도가 낮다.
    • 저속발전기의 경량화를 통해 기어를 거치지 않는 기어리스방식, 또는 직접구동방식이 도입되고 있다.
  • 풍력발전은 풍차, 발전기, 동력전달장치의 세 가지 주요 요소로 구성됩니다. 풍차는 바람을 받아 회전하고, 발전기는 풍차의 회전력을 전기로 변환합니다. 동력전달장치는 풍차와 발전기를 연결하여 동력을 전달합니다.
  • 풍력발전기의 용량에 따라 정속형과 가변속형으로 구분됩니다. 수백 kW급은 정속형 농형유도발전기가 주로 사용되고, 1MW급 이상은 가변속형 권선형유도발전기 또는 동기발전기가 주로 사용됩니다.
  • 날개 끝 선속도의 제한 때문에 대형일수록 회전속도가 낮아집니다. 따라서 저속발전기의 경량화를 통해 기어를 거치지 않는 기어리스방식, 또는 직접구동방식이 도입되고 있습니다.

상수에 의한 분류

• 단상 발전기
• 3상 발전기

통풍 방식에 의한 분류

• 자기 통풍형
• 타력 통풍형

냉각 방식에 의한 분류

• 발전기 용량이 클수록 냉각이 중요한 문제로 대두

• 대형 기기들은 자체 자연냉각능력이 떨어진다.

• 공기 냉각식

  • 소, 중 대형 저속기에 적용

• 가스 냉각식 / 수냉식 / 유냉식

  • 대형 고속기에 적용

• 수소 냉각 발전기

  • 장점
    • 비중이 공기의 7%로 풍손은 공기의 1/10로 감소
    • 비열이 공기의 약 14배로 열전도성이 좋음
    • 공기 냉각 발전기에 비해 약 25%의 출력 증가
    • 코로나 발생 전압이 높고 절연물의 수명이 길어짐
    • 대류율이 1.3배이고 운전중 소음이 적음
  • 단점
    • 공기와 적당히 혼합하면 폭발할 우려가 있음
    • 폭발 예방을 위한 부속설비가 필요 -> 설비비 증가

특징