동기발전기의 여자전류를 조절하면 단자전압과 무효전력은 어떻게 변할까?

동기발전기의 회전자에는 주자속을 만들기 위한 계자계통이 있다.

일반적인 권선형 동기발전기에서는 회전자 계자권선에 직류전류를 흘려 N극과 S극을 만든다.

이때 계자권선에 흐르는 전류를 여자전류 또는 계자전류 If라고 한다.

여자전류를 증가시키면 회전자 기자력이 커지고, 철심이 심하게 포화되지 않은 범위에서는 자속도 증가한다.

자속이 증가하면 고정자에 만들어지는 내부유기기전력 E도 증가한다.

그래서

If 증가 → Φ 증가 → E 증가

라는 관계가 기본적인 출발점이다.

그런데 여기서 한 가지 중요한 문제가 생긴다.

여자전류를 증가시키면 발전기 단자전압이 올라간다고 배우기도 하고,

다른 곳에서는 여자전류를 조절하면 무효전력이 변한다고 설명하기도 한다.

둘 중 어느 것이 맞을까?

둘 다 맞다.

차이는 발전기가 독립운전 중인지, 큰 전력계통에 병렬로 연결되어 있는지에 있다.

여자전류란 무엇일까?

동기발전기는 회전자에 자계를 만들어야 고정자 권선에 전압을 유도할 수 있다.

회전자 계자권선에 직류전류를 공급하면 기자력이 만들어진다.

단순하게

기자력 = NfIf

로 생각할 수 있다.

여기서

Nf는 계자권선의 권선수,

If는 계자전류다.

기자력이 증가하면 자기회로에 형성되는 자속도 증가한다.

비포화영역에서는 대략

Φ ∝ If

로 생각할 수 있다.

따라서 여자전류는 발전기의 자계를 조절하는 직접적인 수단이다.

계자전류는 어떻게 자속을 바꿀까?

발전기의 회전자에서 만들어진 자속은 회전자 철심과 공극, 고정자 철심을 따라 자기회로를 형성한다.

이 과정에서 자속의 역할은 매우 중요하다.

계자전류가 증가하면 계자권선의 기자력이 증가하고, 같은 자기회로에서는 더 큰 자속이 만들어진다.

그리고 발전기의 유기기전력은

E = 4.44kwfNΦ

로 나타낼 수 있다.

회전속도와 주파수, 권선수가 일정하다면

E ∝ Φ

이고 비포화영역에서는 다시

E ∝ If

에 가까운 관계가 나타난다.

즉 여자전류를 조절한다는 것은 궁극적으로 발전기 내부유기기전력의 크기를 조절한다는 것이다.

여자전류와 전압은 끝까지 비례할까?

그렇지는 않다.

계자전류가 작은 영역에서는 If를 증가시킬수록 자속과 유기기전력이 비교적 빠르게 증가한다.

하지만 자속밀도가 커지면서 철심이 자기포화영역에 접근하면 투자율이 일정하지 않게 된다.

이 상태에서는 계자전류를 크게 증가시켜도 자속은 이전만큼 증가하지 않는다.

그래서 발전기의 무부하특성곡선을 보면 처음에는 거의 직선에 가깝다가 점차 완만해지는 형태가 나타난다.

따라서

계자전류 2배 = 발전전압 항상 2배

라고 생각하면 안 된다.

독립운전과 계통연계를 먼저 구분해야 한다

발전기 여자제어를 이해할 때 가장 중요한 구분이다.

독립운전 발전기는 자신이 연결된 부하의 전압과 주파수를 직접 만들어야 한다.

반면 대형 전력계통에 병렬로 연결된 발전기는 이미 강한 계통전압과 주파수가 존재하는 곳에 연결되어 있다.

그래서 같은 여자전류 조작이라도 결과가 다르게 나타난다.

독립운전을 단순화하면

여자전류 → 단자전압

의 관계가 강하게 나타난다.

반면 큰 전력계통에 연결된 발전기에서는

여자전류 → 무효전력과 역률

의 변화가 더 중요하게 나타난다.

독립운전 발전기에서 여자전류를 증가시키면 어떻게 될까?

발전기가 부하 없이 또는 독립된 부하를 공급하면서 일정한 속도로 운전하고 있다고 하자.

여자전류 If를 증가시키면 회전자 자속 Φ가 증가한다.

주파수와 권선수가 일정하다면

E = 4.44kwfNΦ

에 따라 내부유기기전력 E가 증가한다.

그 결과 단자전압 V도 상승한다.

따라서 독립운전 발전기를 단순화하면

If 증가 → Φ 증가 → E 증가 → V 증가

라고 볼 수 있다.

반대로 여자전류를 감소시키면 단자전압도 낮아지는 방향으로 움직인다.

실제 독립발전기에서는 AVR이 이 작업을 한다

실제 발전기에서는 운전자가 계속 계자전류를 손으로 조절하지 않는다.

AVR, 즉 자동전압조정기가 발전기 단자전압을 측정한다.

측정전압이 기준값보다 낮으면 여자계통의 출력을 증가시키고,

전압이 너무 높으면 여자를 감소시키는 방식으로 단자전압을 일정하게 유지한다.

단순하게 표현하면

단자전압 감소

→ AVR 여자 증가

→ If 증가

→ Φ 증가

→ E 증가

→ 단자전압 회복

의 흐름이다.

부하가 증가하면 왜 AVR이 여자전류를 올릴까?

지상역률 부하가 증가하면 전기자전류가 증가하고 발전기 내부의 리액턴스 전압강하와 전기자반작용의 영향이 커질 수 있다.

그래서 여자조건을 그대로 유지하면 단자전압이 감소하려는 경향이 나타난다.

AVR은 이 전압저하를 감지하고 계자전류를 증가시킨다.

내부유기기전력이 증가하면서 전압강하를 보상하게 된다.

따라서 현장에서 부하가 증가했는데 단자전압은 거의 그대로이고 계자전류만 높아졌다면 AVR이 정상적으로 보상하고 있는 상황일 수도 있다.

여자전류를 너무 많이 증가시키면 어떻게 될까?

전압이 필요하다고 계자전류를 끝없이 증가시킬 수는 없다.

회전자 계자권선에도 저항이 존재한다.

계자권선 동손은

Pfield = If²Rf

로 나타낼 수 있다.

계자전류가 증가하면 발열은 전류의 제곱에 비례해 커진다.

또 철심은 포화되므로 어느 지점부터는 여자전류 증가에 비해 전압상승 효과가 작아진다.

따라서 발전기에는 허용 가능한 최대 계자전류가 있다.

계통에 연결하면 이야기가 달라진다

이번에는 동기발전기가 매우 큰 전력계통에 병렬로 연결되어 있다고 하자.

계통을 무한모선에 가깝다고 단순화하면 계통전압 V와 주파수 f는 한 대의 발전기가 조금 조작된다고 크게 변하지 않는다.

발전기는 이 전압과 주파수에 동기되어 운전한다.

이 상태에서 여자전류를 증가시켜 내부유기기전력 E를 높여도 발전기 단자전압이 마음대로 크게 상승하기 어렵다.

계통전압이 강하게 잡고 있기 때문이다.

대신 발전기와 계통 사이의 무효전력 흐름이 크게 변한다.

무효전력이란 무엇일까?

교류회로에서 전압과 전류 사이에 위상차가 있으면 모든 전력이 실제 일로 소비되는 것은 아니다.

유효전력은

P = √3VLIL cosφ

이고,

무효전력은

Q = √3VLIL sinφ

로 나타낸다.

유효전력 P는 모터의 기계출력이나 히터의 열처럼 실제 에너지변환과 관련된다.

무효전력 Q는 전동기와 변압기 등의 자기장, 콘덴서의 전기장 형성과 밀접하게 관련된다.

단위는 var를 사용한다.

동기발전기는 여자상태를 조절하여 이 무효전력을 계통에 공급하거나 흡수할 수 있다.

계통연계 발전기의 기본 전력식

원통형 동기발전기에서 고정자저항을 무시한 단순모델을 생각해보자.

한 상 기준으로

E = V + jXsIa

의 관계를 사용할 수 있다.

3상 유효전력은 근사적으로

P = 3VE / Xs × sinδ

로 나타낼 수 있다.

무효전력은 발전기에서 계통으로 공급하는 방향을 양(+)으로 잡으면

Q = 3V / Xs × (E cosδ – V)

형태로 나타낼 수 있다.

여기서

δ는 내부유기기전력 E와 단자전압 V 사이의 전력각이다.

이 두 식은 발전기 운전에서 매우 중요한 의미를 가진다.

원동기와 여자계통은 서로 다른 것을 조절한다

발전기가 큰 계통에 연결되어 있다고 하자.

원동기 출력을 증가시키면 회전자는 계통에 대해 조금 앞서려 하고 전력각 δ가 증가한다.

그 결과 발전기가 계통으로 공급하는 유효전력 P가 증가한다.

반면 여자전류를 변화시키면 내부유기기전력 E가 변한다.

그러면 무효전력 Q의 흐름이 크게 달라진다.

그래서 계통연계 동기발전기를 단순화하면

원동기 입력 → 유효전력 P

여자전류 → 무효전력 Q와 역률

이라는 구분이 매우 중요하다.

계통연계 상태에서 여자전류를 증가시키면 어떻게 될까?

발전기가 일정한 유효전력을 계통으로 공급하고 있다고 하자.

이 상태에서 여자전류를 증가시키면 자속과 내부유기기전력 E가 증가한다.

계통전압 V는 거의 일정하게 유지된다.

그러면 발전기는 일반적으로 계통으로 더 많은 무효전력을 공급하는 방향으로 이동한다.

이를 과여자 상태라고 표현할 수 있다.

발전기 기준으로 과여자하면 보통

무효전력 공급 증가

지상전류 측으로 이동

하는 특성이 나타난다.

여자전류를 감소시키면 어떻게 될까?

반대로 여자전류를 감소시키면 내부유기기전력 E가 감소한다.

충분히 여자를 낮추면 발전기는 계통으로 무효전력을 공급하던 상태에서 무효전력이 거의 0인 상태를 지나 계통으로부터 무효전력을 흡수하는 상태로 이동할 수 있다.

이를 부족여자 상태라고 할 수 있다.

발전기 기준으로 부족여자가 심해지면

무효전력 흡수

진상전류 측으로 이동

하는 특성이 나타난다.

발전기의 과여자와 동기전동기의 과여자는 헷갈리기 쉽다

여기서 용어를 조심해야 한다.

발전기와 전동기는 전력의 흐름방향이 반대이기 때문에 전류의 방향을 어떻게 정의하느냐에 따라 지상·진상 표현을 혼동하기 쉽다.

발전기가 계통으로 전력을 공급하는 기준으로 보면 일반적으로

과여자 발전기 → 무효전력 공급

부족여자 발전기 → 무효전력 흡수

로 이해하는 것이 좋다.

단순히 “과여자 = 항상 진상”처럼 전동기에서 외운 표현을 발전기에 그대로 적용하면 혼란이 생길 수 있다.

발전기와 동기전동기는 여자특성이 반대일까?

기본적인 전자기 원리는 같다.

다만 전력이 흐르는 방향과 전류의 기준방향이 달라 보이는 것이다.

동기전동기의 V곡선에서도 여자전류를 바꾸면 고정자전류와 역률이 변한다.

발전기에서도 마찬가지로 여자전류가 너무 낮거나 너무 높으면 같은 유효전력을 전달하면서도 고정자전류가 커질 수 있다.

따라서 동기전동기와 동기발전기의 여자특성은 서로 완전히 별개의 현상이 아니다.

같은 동기기의 다른 운전영역이라고 보는 것이 더 정확하다.

여자전류를 너무 높이거나 낮추면 왜 전류가 커질까?

발전기가 일정한 유효전력 P를 공급한다고 하자.

역률이 1에 가까우면 같은 유효전력을 공급하는 데 필요한 고정자전류가 상대적으로 작다.

그런데 과여자하여 많은 무효전력을 계통으로 공급하면 고정자전류에는 유효전력 성분뿐 아니라 무효전력 성분도 포함된다.

전류의 크기가 증가한다.

반대로 부족여자하여 계통에서 많은 무효전력을 흡수해도 고정자전류가 증가할 수 있다.

그래서 여자전류를 변화시키면 고정자전류의 크기가 U자 형태와 비슷하게 변하는 특성을 볼 수 있다.

역률 1이 항상 운전목표일까?

반드시 그런 것은 아니다.

발전기는 전력계통의 무효전력과 전압을 조절하는 중요한 장치다.

계통에서 무효전력이 필요하면 발전기가 일부러 과여자 상태로 운전하면서 무효전력을 공급할 수 있다.

반대로 특정한 계통상태에서는 무효전력을 흡수할 필요도 있다.

따라서 발전기를 항상 역률 1로 운전하는 것이 계통 전체에 가장 좋은 것은 아니다.

발전기 자체의 한계와 계통에서 요구하는 전압·무효전력 조건을 함께 고려해야 한다.

동기조상기와도 같은 원리다

동기조상기는 기계적인 부하를 거의 담당하지 않고 여자상태를 조절하여 무효전력을 공급하거나 흡수하는 목적으로 사용하는 동기기다.

기계적인 유효전력을 크게 전달하지 않으면서도 여자전류를 조절해 계통의 전압과 역률을 보조할 수 있다.

이는 동기발전기의 여자제어와 같은 전자기적인 원리를 이용한다.

즉 동기기는 여자전류를 통해 단순히 자속만 바꾸는 것이 아니라 계통의 무효전력 흐름을 제어할 수 있는 장치이기도 하다.

여자전류를 올렸는데 발전기 kW는 왜 거의 그대로일까?

계통연계 운전에서 흔히 볼 수 있는 현상이다.

발전기가 10MW를 공급하고 있다고 하자.

원동기의 기계입력을 그대로 유지하면서 계자전류만 증가시킨다.

그러면 발전기가 보내는 무효전력은 증가할 수 있지만 유효전력 10MW는 크게 변하지 않을 수 있다.

유효전력은 주로 원동기 입력과 전력각에 의해 결정되기 때문이다.

물론 실제 기기에서는 변수들이 완전히 독립적이지 않기 때문에 아주 작은 상호작용은 있을 수 있다.

하지만 운전개념으로는

Governor·원동기 → MW

AVR·여자 → Mvar

라고 이해하면 매우 유용하다.

반대로 원동기 출력을 올리면 무효전력은 그대로일까?

이론적인 단순모델에서는 원동기 입력과 여자를 각각 P와 Q에 대응시켜 설명한다.

실제로는 원동기 입력을 바꾸면 전력각 δ가 변한다.

무효전력식에도 cosδ가 포함되어 있으므로 Q가 완전히 변화하지 않는다고 단정할 수는 없다.

여자전류를 바꿀 때도 전력각이 조금 조정된다.

즉 P와 Q 제어가 완전히 독립적이지는 않다.

그래도 정상적인 운전범위에서는

원동기 입력은 P에 강하게 영향을 주고

여자전류는 Q에 강하게 영향을 준다

고 보는 것이 실용적이다.

발전기의 무효전력이 증가하면 고정자전류도 증가할 수 있다

3상 발전기의 피상전력은

S² = P² + Q²

의 관계를 가진다.

P가 일정한 상태에서 |Q|가 커지면 S도 증가한다.

그리고 전압이 일정하다면

S = √3VI

이므로 고정자전류 I도 증가한다.

따라서 발전기가 정격 MW보다 낮게 운전 중이어도 무효전력을 많이 공급하거나 흡수하면 정격고정자전류에 도달할 수 있다.

이 때문에 발전기를 MW만 보고 운전해서는 안 된다.

과여자에는 회전자전류 한계가 있다

과여자하면 계자전류 If가 증가한다.

그러면 회전자 계자권선에서

If²Rf

손실이 증가한다.

회전자권선의 온도가 상승하고 절연에 부담이 커질 수 있다.

따라서 발전기가 무효전력을 계속 공급할 수 있는 양에는 계자전류에 의한 제한이 존재한다.

대형 발전기에는 과여자제한기 OEL이 적용되어 과도한 계자전류가 지속되는 것을 막는 경우가 있다.

부족여자도 안전한 것은 아니다

여자를 줄이면 회전자 발열이 감소하니 계속 줄여도 괜찮을 것처럼 보일 수 있다.

하지만 부족여자에도 한계가 있다.

부족여자가 심해지면 발전기의 안정도 여유가 감소할 수 있다.

또 발전기 구조에 따라 고정자 철심 끝단 등에서 비정상적인 자속분포와 발열 문제가 나타날 수 있다.

그래서 실제 발전기에는 부족여자 제한영역이 존재한다.

부족여자제한기 UEL을 이용해 너무 깊은 부족여자 운전을 방지하기도 한다.

고정자전류 한계도 따로 존재한다

과여자든 부족여자든 무효전력의 절대값이 커지면 고정자전류가 증가할 수 있다.

고정자전류가 증가하면

Pcu = 3Ia²Ra

의 동손이 증가한다.

따라서 발전기에는 계자전류 한계뿐 아니라 고정자 정격전류에 의한 한계도 있다.

이 여러 제한을 한 그림에 표현한 것이 발전기의 능력곡선 또는 capability curve다.

발전기 능력곡선은 무엇을 보여줄까?

발전기 능력곡선은 일반적으로 가로축에 유효전력 P, 세로축에 무효전력 Q를 놓고 안전하게 운전할 수 있는 범위를 표시한다.

주요 제한요소는

고정자전류 한계,

과여자에 따른 회전자 계자전류 한계,

부족여자 한계,

원동기의 정격출력

등이다.

즉 발전기는 명판에 적힌 MW 이하라면 어떤 Q에서도 자유롭게 운전할 수 있는 것이 아니다.

P와 Q의 조합이 발전기 운전가능영역 안에 있어야 한다.

발전기 단자전압과 무효전력은 어떤 관계가 있을까?

독립운전에서는 여자전류를 높이면 단자전압 자체가 눈에 띄게 상승한다.

반면 대형 계통에서는 계통전압이 비교적 단단하게 유지되기 때문에 여자전류를 증가시켰을 때 발전기의 무효전력 출력이 크게 변한다.

하지만 그렇다고 여자제어가 계통전압과 관계없는 것은 아니다.

여러 발전기와 무효전력 설비가 함께 여자상태를 조절하면 계통의 전압분포도 영향을 받는다.

특히 계통이 약한 지점에서는 한 발전기의 여자조절이 해당 모선전압에 더 크게 영향을 줄 수 있다.

따라서

독립운전 = 여자전류는 전압만 조절

계통연계 = 여자전류는 무효전력만 조절

처럼 완전히 분리해서 외우는 것도 정확하지 않다.

어느 쪽의 영향이 더 강하게 나타나는지를 이해하는 것이 중요하다.

무한모선이라는 것은 실제로 무한한 발전소일까?

아니다.

무한모선은 실제 장치의 이름이라기보다 전력계통을 단순화하기 위한 모델이다.

연결된 한 대의 발전기가 유효전력이나 무효전력을 조금 변화시켜도 계통전압과 주파수가 거의 변하지 않을 만큼 큰 계통을 가정한다.

이렇게 생각하면 개별 발전기의 운전특성을 이해하기 쉬워진다.

실제 전력계통은 완전한 무한모선은 아니지만 대형 계통에 연결된 작은 발전기 입장에서는 비슷하게 근사할 수 있다.

AVR은 계통연계 상태에서 무엇을 제어할까?

계통연계 상태에서도 AVR은 발전기 단자전압을 검출하고 여자전류를 조절한다.

다만 발전기가 큰 계통에 연결되어 있기 때문에 AVR의 동작은 발전기의 무효전력 출력과 밀접하게 연결된다.

발전소 운전방식에 따라

단자전압 일정제어,

무효전력 일정제어,

역률 일정제어

등의 방식이 사용될 수 있다.

실제 여자시스템에는 단순한 전압조정 외에도 안정화기능과 여러 제한기가 함께 구성된다.

전압을 올리려고 AVR 설정값을 무작정 높이면 될까?

계통연계 발전기에서는 특히 주의해야 한다.

AVR 전압기준을 높이면 여자전류가 증가할 수 있다.

그 결과 무효전력 공급이 증가하고 고정자전류나 계자전류도 증가할 수 있다.

발전기 단자전압이 크게 변하지 않는다고 해서 아무 문제가 없는 것이 아니다.

계자권선이 한계에 가까워지거나 고정자전류 정격에 접근할 수도 있다.

따라서 실제 발전기에서는

단자전압,

Mvar,

역률,

계자전류,

고정자전류

를 함께 봐야 한다.

무효전력의 부호 때문에 헷갈리는 경우가 많다

설비나 계측시스템마다 무효전력의 +와 -를 표시하는 기준이 다를 수 있다.

어떤 계기는 발전기가 계통에 무효전력을 공급하는 것을 +로 표시하고,

다른 시스템에서는 반대 convention을 사용할 수도 있다.

따라서 현장에서 Mvar의 부호만 보고 과여자·부족여자를 판단하면 위험하다.

해당 발전소의 계측기준과 도면, 운전절차를 확인해야 한다.

원리를 이해할 때는 여기서

발전기가 계통으로 무효전력을 공급하는 방향을 +Q

로 두고 설명하고 있다.

여자전류가 갑자기 사라지면 어떻게 될까?

권선형 동기발전기가 계통에 연결되어 운전 중인데 계자전류가 크게 상실되면 매우 심각한 상황이 될 수 있다.

내부유기기전력이 감소하고 발전기는 필요한 무효전력을 계통에서 흡수하는 방향으로 이동할 수 있다.

또 동기운전을 안정적으로 유지하기 어려워질 수 있다.

이러한 현상을 여자상실이라고 한다.

대형 동기발전기에는 여자상실을 검출하기 위한 보호기능이 사용된다.

여자전류는 단순한 전압조절값이 아니라 동기발전기의 안정적인 운전에 필수적인 요소다.

여자전류가 있는데도 단자전압이 낮다면 무엇을 봐야 할까?

독립운전 발전기라면

실제 계자전류,

회전속도,

AVR 출력,

여자기 상태,

부하전류,

부하역률,

전압검출회로

등을 확인할 수 있다.

계자전류가 충분한데 전압이 낮다면 단순한 부족여자만으로 설명되지 않을 수 있다.

회전속도가 낮거나 부하가 과도하고, 전기자권선이나 계측계통에 문제가 있을 수도 있다.

반대로 전압이 정상이라고 해서 여자상태가 정상이라고 단정할 수도 없다.

AVR이 큰 계자전류를 사용해 간신히 전압을 유지하고 있을 수도 있기 때문이다.

여자전류와 전압만 보면 부족한 이유

발전기 운전에서는 다음 값을 함께 보는 것이 좋다.

단자전압,

주파수,

고정자전류,

유효전력 MW,

무효전력 Mvar,

역률,

계자전류,

계자전압,

고정자와 회전자 온도

등이다.

예를 들어

전압 정상,

MW 정상,

Mvar 크게 증가,

계자전류 증가

라면 발전기가 더 많은 무효전력을 공급하고 있는 상황일 수 있다.

전압계만 보고 있다면 이 변화를 놓칠 수 있다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 여자전류를 증가시키면 가장 직접적으로 증가하는 것은 회전자 기자력과 자속이다.

둘째, 자속이 증가하면 내부유기기전력 E가 증가한다.

셋째, 독립운전에서는 여자전류 변화가 단자전압 변화로 크게 나타난다.

넷째, 큰 계통에 연결된 발전기에서는 여자전류 변화가 주로 무효전력과 역률 변화로 나타난다.

다섯째, 계통연계 발전기에서 여자전류를 증가시킨다고 유효전력이 크게 증가하는 것은 아니다.

유효전력은 주로 원동기 입력과 전력각으로 조절한다.

여섯째, 과여자 발전기는 일반적으로 계통으로 무효전력을 공급하고 부족여자 발전기는 무효전력을 흡수하는 방향으로 운전한다.

일곱째, 여자전류는 클수록 좋은 것이 아니다.

과여자에서는 회전자 계자권선의 발열이 제한요소가 된다.

여덟째, 부족여자도 무한히 가능하지 않다.

안정도와 철심 끝단 발열 등의 한계가 있다.

아홉째, 무효전력이 증가하면 같은 유효전력에서도 고정자전류가 커질 수 있다.

열째, 현장의 Mvar 부호표시는 시스템에 따라 다를 수 있으므로 부호 convention을 확인해야 한다.

마무리

동기발전기의 여자전류는 회전자 자속을 조절하는 가장 중요한 변수다.

기본적인 흐름은

If 증가

→ 기자력 증가

→ 자속 Φ 증가

→ 내부유기기전력 E 증가

다.

하지만 그다음에 나타나는 결과는 발전기의 운전상태에 따라 달라진다.

독립운전 발전기에서는 여자전류를 증가시키면 단자전압이 상승하는 효과가 크게 나타난다.

그래서 AVR이 여자전류를 조절하며 발전기 전압을 일정하게 유지한다.

반면 대형 전력계통에 병렬로 연결된 발전기에서는 계통전압과 주파수가 강하게 유지된다.

이 상태에서 여자전류를 증가시키면 단자전압을 마음대로 올리기보다 발전기가 계통으로 공급하는 무효전력이 증가하는 효과가 두드러진다.

그래서 계통연계 발전기에서는

원동기 입력 → 유효전력 P

여자전류 → 무효전력 Q와 역률

이라는 구분이 중요하다.

하지만 여자전류를 무조건 크게 하거나 작게 할 수는 없다.

과여자에서는 계자권선의 발열,

부족여자에서는 안정도와 철심 끝단 발열,

그리고 양쪽 모두에서 고정자전류 한계

를 고려해야 한다.

결국 발전기의 여자제어는 단순한 전압조절이 아니다.

발전기 내부자속과 전압, 무효전력, 역률 그리고 계통전압을 동시에 연결하는 핵심 제어수단이다.

다음 글에서는 여러 대의 발전기를 하나의 전력계통에 연결하기 위해 반드시 맞춰야 하는 병렬운전 조건과 동기조건을 살펴본다.
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