유도발전기는 어떤 원리로 전력을 만들까? 동기발전기와 다른 점

발전기라고 하면 보통 회전자에 직류계자를 공급하는 동기발전기를 먼저 떠올린다.

회전자에 N극과 S극을 만들고 이를 원동기로 회전시키면 고정자권선에 전압이 유도되는 방식이다.

이를 유도발전기라고 한다.

유도발전기는 대형 발전소의 주발전기로 널리 사용되는 방식은 아니지만, 구조가 단순하고 계통연계가 비교적 쉬워 소수력이나 일부 풍력발전 설비 등에 적용되어 왔다.

국내에서도 성덕댐·부항댐·보현산댐 등의 소수력 발전설비에 3상 유도발전기가 적용된 사례가 있다.

흥미로운 점은 일반적인 농형 유도발전기에는 동기발전기처럼 회전자에 별도의 직류계자전류를 공급하지 않아도 된다는 것이다.

회전자에는 농형 도체가 있고 고정자에는 3상 권선이 있을 뿐이다.

그런데 회전자를 일정한 조건으로 돌리면 전동기로 사용하던 기계가 반대로 전력을 계통에 내보낼 수 있다.

그 조건의 핵심은 아주 간단하다.

회전자 속도를 동기속도보다 높이는 것이다.

유도전동기는 정상운전에서 동기속도보다 조금 느리게 회전한다.

반면 같은 기계를 외부 원동기로 밀어 동기속도보다 빠르게 돌리면 슬립의 부호가 바뀐다.

회전자 전류와 전자기토크의 관계도 발전방향으로 바뀌고, 축으로 공급된 기계에너지가 전기에너지로 변환되어 고정자로 전달된다.

이것이 유도발전기의 기본원리다.

유도발전기도 기본구조는 유도전동기와 같다

일반적인 농형 유도발전기의 구조를 보면 특별히 새로운 발전기 구조가 추가되는 것은 아니다.

기본적으로 3상 유도전동기의 구조와 같다.

고정자에는 3상 권선이 있다.

회전자에는 농형 도체바와 엔드링이 있다.

고정자와 회전자 사이에는 공극이 존재한다.

고정자권선에 3상 교류전압이 걸리면 회전자계가 형성된다.

회전자계의 속도가 바로 동기속도다.

동기속도는

Ns = 120f / P

로 나타낸다.

여기서

Ns는 동기속도,

f는 전원주파수,

P는 극수다.

60Hz 4극 기계라면 동기속도는

1800rpm

이다.

이 1800rpm을 기준으로 회전자가 그보다 느린지 빠른지가 전동기와 발전기 운전을 가르는 중요한 기준이 된다.

유도전동기에서는 왜 동기속도보다 느리게 돌까?

유도전동기의 회전자에는 일반적으로 외부에서 전원을 직접 공급하지 않는다.

고정자의 회전자계가 회전자 도체를 상대적으로 지나가면서 전압을 유도한다.

회전자 회로가 닫혀 있기 때문에 전류가 흐르고, 이 전류와 회전자계가 상호작용해 토크를 만든다.

그래서 토크를 만들기 위해서는 회전자계와 회전자 사이에 상대속도가 필요하다.

회전자가 동기속도와 완전히 같아지면 상대속도가 0이 된다.

회전자에 유도되는 전압과 전류도 이상적으로 0에 가까워지고 토크 역시 사라진다.

따라서 일반적인 유도전동기는 정상운전에서

Nr < Ns

상태를 유지한다.

슬립이 음수가 된다는 것은 무엇을 의미할까?

유도전동기의 슬립은 다음 식으로 정의한다.

s = (Ns – Nr) / Ns

전동기 운전에서는

Nr < Ns

이므로

s > 0

이다.

예를 들어 4극 60Hz 유도전동기의 동기속도가 1800rpm이고 실제 회전속도가 1750rpm이라면

s = (1800 – 1750) / 1800

이므로 약

0.0278

즉 2.78%다.

그런데 외부에서 회전자를 1836rpm으로 돌렸다고 하자.

이번에는

s = (1800 – 1836) / 1800

이고 결과는

-0.02

가 된다.

즉 슬립이 -2%다.

이처럼 회전자 속도가 동기속도를 넘어가면 슬립은 음수가 된다.

이 음의 슬립 영역이 유도발전기의 기본적인 발전운전영역이다.

동기속도보다 빨라지면 무엇이 달라질까?

전동기 운전에서는 회전자계가 회전자보다 앞서간다.

회전자 입장에서 보면 회전자계가 자신을 앞질러 지나가고 있다.

이 상대운동에 의해 회전자전류가 만들어지고 회전자를 앞으로 끌어가는 전자기토크가 발생한다.

그런데 외부 원동기가 회전자를 동기속도보다 더 빠르게 돌리면 상황이 반대로 바뀐다.

이번에는 회전자가 회전자계를 앞질러간다.

회전자와 회전자계 사이의 상대운동 방향이 반대로 바뀐다.

그에 따라 회전자에 유도되는 전압의 위상과 전류의 관계도 바뀐다.

전자기토크 역시 회전자를 더 가속하는 방향이 아니라 현재 회전을 방해하는 방향으로 작용한다.

이 토크는 발전기에서 필요한 전자기 제동토크다.

발전기인데 왜 회전을 방해하는 토크가 생길까?

발전기는 축에서 들어온 기계에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치다.

만약 발전기가 아무런 저항도 없이 가볍게 돌아간다면 축에서 공급한 기계에너지가 전기로 변환되고 있다고 보기 어렵다.

발전기가 전력을 만들어낼수록 회전을 방해하는 전자기토크가 나타나야 한다.

원동기는 이 반대토크를 이겨내면서 회전자를 계속 돌려야 한다.

풍력발전기라면 바람이 블레이드에 기계토크를 공급한다.

수력발전기라면 물이 수차를 돌린다.

엔진발전기라면 엔진이 축토크를 공급한다.

그 기계적인 토크가 유도발전기의 전자기 제동토크보다 계속 큰 에너지를 공급하면 발전기는 동기속도보다 조금 높은 영역에서 전력을 생산할 수 있다.

렌츠의 법칙으로 보면 더 이해하기 쉽다

전자기유도로 발생한 전류는 자신을 발생시킨 원인을 방해하는 방향으로 작용한다.

이것이 렌츠의 법칙이다.

유도전동기 운전에서는 회전자계가 회전자보다 빠르다.

회전자는 상대운동을 줄이기 위해 회전자계를 따라가려는 방향으로 토크를 받는다.

반대로 유도발전기에서는 회전자가 회전자계보다 빠르다.

이번에는 회전자가 너무 빨리 앞서가는 상대운동을 줄이려는 방향으로 토크가 발생한다.

즉 회전자를 감속시키는 토크다.

외부 원동기가 그 토크를 이기면서 계속 기계에너지를 공급하면 그 에너지가 전기에너지로 변환된다.

같은 렌츠의 법칙이 전동기에서는 구동토크로, 발전기에서는 제동토크로 보이는 것이다.

동기속도에서는 발전도 전동도 하지 않을까?

이상적인 상태에서 회전자 속도가 정확히 동기속도와 같다면

Nr = Ns

이고

s = 0

이다.

회전자와 회전자계 사이의 상대속도가 없다.

따라서 회전자에 유도되는 전압과 전류가 매우 작아지고 전자기토크도 0에 가까워진다.

이 지점을 기준으로 운전영역이 나뉜다.

동기속도보다 낮으면 전동기 영역,

동기속도보다 높으면 발전기 영역이다.

그래서 유도기는 하나의 기계가 회전속도 조건에 따라 전동기와 발전기 역할을 바꿀 수 있다.

회전자 주파수도 슬립과 함께 바뀐다

회전자에 유도되는 전류의 주파수는 슬립과 관계가 있다.

전동기 운전에서는 일반적으로

fr = sf

로 표현한다.

발전영역에서는 슬립 s가 음수가 되므로 실제 회전자전류의 주파수 크기를 생각할 때는

fr = |s|f

로 보는 것이 이해하기 쉽다.

앞의 예에서

f = 60Hz,

s = -0.02

라면 회전자에서 나타나는 전기적인 변화의 주파수 크기는 약

1.2Hz

다.

회전자는 1836rpm으로 빠르게 돌고 있지만 회전자 도체가 실제로 느끼는 것은 회전자와 1800rpm 회전자계 사이의 작은 상대속도다.

발전기가 되려면 얼마나 빨리 돌려야 할까?

유도발전기를 발전영역으로 만들기 위해 무조건 동기속도보다 아주 많이 높일 필요는 없다.

계통에 직접 연결된 일반적인 유도발전기는 동기속도보다 몇 퍼센트 높은 영역에서도 발전할 수 있다.

4극 60Hz 기계에서 동기속도가 1800rpm이라면 1820rpm, 1840rpm처럼 약간 높은 속도에서도 음의 슬립이 형성된다.

다만 실제 필요한 속도와 발전출력은 기계의 등가회로와 정격, 토크특성에 따라 달라진다.

회전자 속도를 계속 높인다고 무한히 출력이 증가하는 것도 아니다.

정격전류와 토크, 온도, 기계적인 속도한계를 반드시 고려해야 한다.

기계에너지는 어떤 경로로 전기에너지로 바뀔까?

전동기에서는 에너지가

전기입력

→ 고정자

→ 공극

→ 회전자

→ 기계출력

방향으로 흐른다.

유도발전기에서는 전체적인 유효에너지 흐름이 반대다.

원동기가 축에 기계에너지를 공급한다.

회전자에서 전자기적인 에너지변환이 일어난다.

공극을 통해 고정자로 전력이 전달된다.

고정자에서 발생하는 손실을 제외한 전력이 외부계통으로 공급된다.

즉

기계입력 → 회전자 → 공극 → 고정자 → 전기출력

의 흐름으로 생각할 수 있다.

모든 기계입력이 전기출력으로 바뀌는 것은 아니다

실제 유도발전기에도 여러 손실이 존재한다.

베어링과 냉각팬에서는 기계손이 발생한다.

회전자 도체에는 회전자 동손이 발생한다.

고정자 권선에는 고정자 동손이 있다.

철심에서는 히스테리시스손과 와전류손이 발생한다.

따라서 발전기 축에 100kW의 기계출력을 공급했다고 해서 단자에서 정확히 100kW의 전력이 나오는 것은 아니다.

전기출력은 기계입력에서 각종 손실을 뺀 값이 된다.

유도발전기는 자속을 어디에서 얻을까?

여기서 동기발전기와 매우 중요한 차이가 나온다.

일반적인 권선형 동기발전기는 회전자 계자권선에 직류전류를 공급하여 자속을 만든다.

반면 농형 유도발전기에는 이런 직류계자권선이 없다.

그렇다고 자속 없이 발전할 수 있는 것은 아니다.

유도발전기 역시 고정자와 회전자 사이의 공극에 자기장이 필요하다.

계통에 연결된 유도발전기는 이 자속을 형성하기 위한 자화전류와 무효전력을 주로 전력계통으로부터 공급받는다.

그러면서 원동기에서 받은 기계에너지는 유효전력으로 바꾸어 계통으로 내보낸다.

따라서 계통연계 유도발전기를 단순화하면

유효전력 P → 발전기에서 계통으로

자화 무효전력 Q → 계통에서 발전기로

라는 흐름이 나타날 수 있다.

무효전력을 소비하면서 어떻게 발전기라고 할 수 있을까?

발전기라는 말은 주로 유효에너지의 흐름을 기준으로 생각하면 이해하기 쉽다.

유도발전기는 축에서 기계에너지를 받아 전기에너지로 바꾸어 외부로 유효전력을 공급한다.

그 과정에서 자속을 형성하기 위한 무효전력은 외부에서 받을 수 있다.

예를 들어 발전기가 계통으로 500kW의 유효전력을 공급하면서 동시에 자화를 위해 일정한 kvar를 계통으로부터 흡수할 수 있다.

유효전력을 만들어낸다는 사실과 무효전력을 필요로 한다는 사실은 서로 모순되지 않는다.

유도발전기는 여자기가 필요 없을까?

일반적인 농형 유도발전기는 동기발전기처럼 회전자 직류여자기가 필요하지 않다는 장점이 있다.

슬립링과 브러시가 없는 농형 구조라면 회전자 구조도 매우 단순하다.

하지만 넓은 의미에서 자기장을 만들기 위한 여자에너지가 전혀 필요하지 않다는 뜻은 아니다.

유도발전기는 자속을 형성하기 위한 자화무효전력을 어디선가 공급받아야 한다.

계통연계 상태에서는 전력계통이 이를 공급할 수 있다.

독립운전에서는 별도의 콘덴서 등이 그 역할을 담당할 수 있다.

계통에 연결된 유도발전기는 어떻게 운전될까?

전력계통에 직접 연결된 농형 유도발전기를 생각해보자.

계통이 60Hz 전압을 공급한다.

고정자에는 60Hz 회전자계가 만들어진다.

4극이라면 회전자계의 동기속도는 1800rpm이다.

외부 원동기가 회전자를 1800rpm보다 조금 빠르게 돌린다.

슬립이 음수가 된다.

전자기토크는 회전을 제동하는 방향으로 바뀐다.

축에서 들어오는 기계에너지는 고정자를 거쳐 계통으로 유효전력 형태로 전달된다.

이때 고정자 출력주파수는 계통에 의해 60Hz로 유지된다.

회전속도가 1830rpm인데 어떻게 60Hz 전기를 만들 수 있을까?

동기발전기만 생각하면 이상하게 느껴질 수 있다.

4극 동기발전기는 60Hz에서 정확히 1800rpm으로 회전해야 하기 때문이다.

하지만 유도발전기의 회전자 자체가 출력전압의 주파수를 직접 결정하는 것은 아니다.

계통연계 유도발전기에서는 고정자가 60Hz 계통에 연결되어 있고 공극의 회전자계가 1800rpm의 동기속도로 형성된다.

회전자는 이보다 조금 빠르게 움직이면서 슬립을 만든다.

그 상대속도를 통해 회전자에 전류가 유도되고 에너지가 전달된다.

그래서 회전자가 1830rpm이어도 고정자는 60Hz 계통에 전력을 공급할 수 있다.

유도발전기와 동기발전기의 가장 큰 차이

유도전동기와 동기전동기의 차이를 이해하고 있다면 발전기에서도 비슷한 구분을 할 수 있다.

동기발전기는 정상상태에서 회전자의 자계가 계통의 회전자계와 정확히 동기속도로 움직인다.

4극 60Hz라면 회전자 속도 역시 정확히 1800rpm이다.

반면 유도발전기는 발전을 위해 회전자와 회전자계 사이에 상대속도가 필요하다.

그래서 4극 60Hz 계통에서 발전운전을 하려면 회전자는 일반적으로 1800rpm보다 조금 빠르게 회전한다.

즉

동기발전기에서는 정상운전 슬립이 0이고,

유도발전기에서는 발전운전에 음의 슬립이 필요하다.

자속을 만드는 방식도 서로 다르다

동기발전기는 회전자에 직류계자나 영구자석 등을 이용해 자체적인 자계를 만든다.

이 자계를 회전시켜 고정자권선에 전압을 유도한다.

여자전류를 조절하면 내부유기기전력과 무효전력, 역률을 적극적으로 조절할 수 있다.

반면 일반적인 농형 유도발전기는 회전자에 독립적인 직류계자권선이 없다.

고정자 자화전류에 의해 형성된 회전자계와 회전자 사이의 상대운동을 이용한다.

그래서 계통연계 유도발전기는 보통 계통으로부터 무효전력을 필요로 한다.

유도발전기는 병렬투입이 더 간단할까?

일반적인 계통연계 유도발전기는 원동기로 회전자를 계통 동기속도 부근까지 가속한 뒤 계통에 접속하고, 이후 원동기 토크를 증가시켜 회전자 속도가 동기속도를 넘도록 하면 발전영역으로 들어간다.

동기발전기처럼 회전자 자계의 위상각을 계통과 정확하게 맞추는 별도의 동기검정은 필요하지 않지만, 접속 순간의 속도차가 크면 큰 돌입전류와 토크충격이 발생할 수 있으므로 실제 설비의 접속조건을 따라야 한다.

유도발전기의 출력은 무엇으로 결정될까?

계통전압과 주파수가 일정한 유도발전기에서는 원동기가 공급하는 기계토크가 발전출력을 결정하는 중요한 요소다. 원동기 토크를 증가시키면 회전자는 동기속도보다 조금 더 빠르게 회전하려 하고 음의 슬립의 절대값이 커진다. 그에 따라 발전 전자기토크와 계통으로 전달되는 유효전력이 증가하며 새로운 속도에서 평형을 이룬다.

동기속도를 조금 넘으면 음의 슬립의 절대값이 작고 발생하는 발전토크도 작다.

원동기 토크를 증가시켜 회전속도를 조금 더 높이면 음의 슬립의 절대값이 커지고 발전기에서 계통으로 전달하는 유효전력도 증가할 수 있다.

하지만 토크-속도 특성에는 한계가 있다.

정격을 넘어 과도하게 운전하면 고정자와 회전자 전류, 발열 및 기계적인 속도문제가 발생한다.

슬립이 -1%와 -3%라면 어느 쪽 출력이 클까?

다른 조건이 동일하고 정상적인 발전운전영역에 있다고 가정하면 일반적으로 음의 슬립 절대값이 커질수록 발전토크와 출력도 커지는 방향으로 움직인다.

예를 들어 동기속도가 1800rpm이라면

-1% 슬립에서는 약 1818rpm,

-3% 슬립에서는 약 1854rpm

이다.

후자의 경우 회전자와 회전자계 사이의 상대속도가 더 크다.

회전자 유도기전력과 전류도 커질 수 있고 더 큰 발전토크가 형성될 수 있다.

다만 이 관계는 무한히 선형적으로 증가하지 않는다.

정확한 출력특성은 유도기의 토크-속도곡선을 통해 봐야 한다.

왜 발전토크는 회전방향과 반대일까?

유도발전기의 회전자는 원동기에 의해 회전자계보다 빠르게 움직인다.

전자기토크는 이 상대운동을 줄이려고 한다.

그래서 회전자 회전방향과 반대되는 토크를 만든다.

원동기 입장에서는 발전기에 부하가 걸리는 셈이다.

발전출력을 높일수록 원동기는 더 큰 토크를 공급해야 한다.

풍력터빈에서는 블레이드가 더 많은 풍력에너지를 흡수해야 하고,

수차에서는 더 많은 수력에너지가 필요하다.

에너지보존 관점에서도 자연스러운 결과다.

원동기 토크를 제거하면 어떻게 될까?

계통에 연결되어 있던 유도발전기의 원동기 토크를 줄였다고 하자.

발전토크 때문에 회전속도가 떨어진다.

속도가 동기속도에 가까워지면 음의 슬립이 작아지고 발전출력도 감소한다.

정확히 동기속도에 가까워지면 토크와 유효전력 교환이 매우 작아진다.

속도가 다시 동기속도 아래로 떨어지면 슬립은 양수가 된다.

그 순간부터 기계는 계통에서 유효전력을 받아 회전하는 유도전동기 운전영역으로 넘어갈 수 있다.

즉 같은 기계가 속도에 따라 발전기와 전동기 사이를 자연스럽게 오갈 수 있다.

역전력은 유도기에서도 중요한가?

그렇다.

유도발전기로 운전해야 하는 설비가 원동기 에너지를 잃으면 기계가 계통에서 유효전력을 받아 전동기처럼 회전할 수 있다.

설비 목적에 따라 이런 motoring 상태가 허용되지 않을 수 있다.

예를 들어 특정 수차나 원동기에서는 역방향의 유효전력 흐름이 기계설비에 불리할 수 있다.

따라서 유도발전기 설비에서도 실제 운전목적과 원동기 특성에 맞는 보호가 필요하다.

계통이 사라지면 유도발전기는 바로 발전을 멈출까?

일반적인 계통연계 농형 유도발전기는 자화에 필요한 무효전력을 계통에서 공급받는다.

그래서 계통전압이 사라지면 자속을 유지하기 어려워지고 발전전압도 빠르게 떨어지는 경향이 있다.

하지만 항상 즉시 완전히 0V가 된다고 단정해서는 안 된다.

회전자 잔류자속과 연결된 콘덴서, 부하조건에 따라 자체여자가 형성될 가능성도 있다.

따라서 계통분리 후에도 발전기가 계속 회전한다면 전압이 절대로 존재하지 않는다고 가정해서는 안 된다.

콘덴서를 연결하면 독립운전도 가능할까?

가능하다.

유도발전기의 단자에 적절한 용량의 콘덴서를 연결하면 콘덴서가 자화에 필요한 무효전력을 공급할 수 있다.

회전자에 남아 있는 잔류자속에 의해 작은 전압이 발생한다.

이 전압이 콘덴서에 전류를 흐르게 한다.

콘덴서의 진상전류가 자속을 증가시키고,

자속이 증가하면 유도전압이 더 커진다.

조건이 맞으면 이런 과정이 반복되면서 전압이 형성될 수 있다.

이를 자가여자 유도발전기라고 한다.

그렇다면 콘덴서만 달면 항상 전압이 만들어질까?

그렇지는 않다.

자가여자가 성립하려면

잔류자속,

회전속도,

콘덴서 용량,

부하,

기계의 자기포화특성

등이 적절해야 한다.

콘덴서 용량이 너무 작으면 필요한 자화전류를 충분히 공급하지 못해 전압이 형성되지 않을 수 있다.

반대로 너무 크면 전압이 과도하게 상승할 수 있다.

부하가 변하면 필요한 무효전력도 달라진다.

그래서 독립형 유도발전기는 계통연계형보다 전압과 주파수 제어가 까다롭다.

독립 유도발전기의 주파수는 무엇으로 결정될까?

계통연계 상태에서는 전력계통이 고정자 주파수를 결정한다.

하지만 독립운전에서는 강한 계통주파수가 존재하지 않는다.

회전속도와 부하, 자화상태, 콘덴서, 기계특성이 함께 발전전압과 주파수에 영향을 준다.

따라서 동기발전기의

f = PNs / 120

관계를 그대로 사용하여 회전자 속도만 알면 독립 유도발전기의 출력주파수가 정확히 정해진다고 생각하면 안 된다.

유도기에서는 자속이 회전자보다 동기속도에 해당하는 만큼 다르게 움직여야 하기 때문이다.

독립 유도발전기의 전압조정이 어려운 이유

동기발전기에서는 AVR이 계자전류를 직접 조절하여 단자전압을 제어할 수 있다.

하지만 농형 유도발전기는 회전자 계자전류를 독립적으로 조절할 수 없다.

자가여자 유도발전기에서는 콘덴서와 부하가 자화상태에 큰 영향을 준다.

부하가 증가하면 단자전압이 크게 변할 수 있다.

특히 유도성부하가 증가하면 자화에 필요한 무효전력이 더 부족해져 전압이 크게 떨어질 수 있다.

그래서 독립전원에서 정밀한 전압제어가 필요한 경우에는 추가적인 전력전자 제어장치가 필요할 수 있다.

유도성부하가 많은 독립계통에서는 왜 더 어렵게 운전될까?

유도전동기와 변압기 같은 부하는 자체적으로도 자화무효전력을 필요로 한다.

유도발전기 역시 자속을 만들기 위해 무효전력이 필요하다.

즉 발전기와 부하가 모두 무효전력을 요구한다.

콘덴서가 충분한 무효전력을 공급하지 못하면 계통전압이 떨어질 수 있다.

전압이 떨어지면 전동기 전류와 토크특성이 다시 변하고 전체 계통이 불안정해질 수 있다.

따라서 독립형 유도발전기에서는 kvar 균형이 매우 중요하다.

계통연계에서는 왜 운전이 쉬워질까?

큰 전력계통은 비교적 일정한 전압과 주파수를 제공한다.

유도발전기는 계통으로부터 필요한 자화무효전력을 공급받을 수 있다.

회전자계를 만드는 기준주파수도 계통이 정해준다.

원동기는 회전자를 동기속도보다 조금 높은 속도로 밀어주면 된다.

이 때문에 단순한 농형 유도발전기는 비교적 간단하고 견고한 계통연계 발전기로 사용할 수 있다.

유도발전기의 장점은 무엇일까?

농형 유도발전기의 가장 큰 장점 가운데 하나는 구조가 단순하다는 점이다.

회전자에 별도의 직류계자권선이나 슬립링, 브러시가 필요하지 않다.

농형 회전자는 매우 견고하다.

유도전동기로 널리 사용되는 구조를 그대로 이용할 수 있기 때문에 제작과 유지보수 측면에서도 장점이 있다.

또 대형 계통에 연결되어 있다면 별도의 정밀한 동기각 조정 없이 운전할 수 있다는 특성도 있다.

유지보수 측면에서는 어떤 장점이 있을까?

농형 회전자에는 브러시와 슬립링이 없다.

따라서 브러시 마모,

슬립링 오염,

접촉불량

같은 유지보수 항목이 줄어든다.

회전자 구조도 기계적으로 견고하다.

먼지나 진동이 있는 산업환경에서 유도기가 널리 사용되는 이유와 비슷하다.

다만 베어링과 냉각, 고정자 절연, 권선상태 등 기본적인 회전기 유지보수는 여전히 필요하다.

단점은 무엇일까?

가장 대표적인 단점은 자화무효전력이 필요하다는 점이다.

계통에서 무효전력을 공급받으면 계통의 역률과 전압에 영향을 줄 수 있다.

필요하면 콘덴서나 다른 무효전력 보상설비를 사용할 수 있다.

또 농형 유도발전기는 회전자 자속을 독립적으로 제어하기 어려워 동기발전기처럼 여자전류만 조절하여 전압과 무효전력을 자유롭게 제어하기 어렵다.

독립운전에서는 전압과 주파수 제어가 더욱 까다롭다.

회전자 동손도 존재한다

농형 유도발전기는 회전자에 유도전류가 흘러야 전자기토크를 만들 수 있다.

따라서 회전자 도체에는 I²R 손실이 발생한다.

이 점은 영구자석 동기발전기처럼 회전자에 유도전류가 꼭 필요하지 않은 기계와 다른 부분이다.

슬립의 절대값이 커지면서 회전자전류가 증가하면 회전자 발열도 커질 수 있다.

그래서 유도발전기에서도 정격 슬립과 전류범위를 넘는 과도운전은 좋지 않다.

발전 중인데 회전자에 손실이 생기는 것이 이상하지 않을까?

에너지변환장치에서는 입력에너지 전체가 출력으로 전달되지 않는다.

유도발전기에서는 원동기에서 공급된 기계에너지 일부가 베어링 마찰과 풍손에 사용된다.

또 일부는 회전자 동손과 고정자 동손, 철손으로 사라진다.

나머지가 전기출력으로 계통에 전달된다.

따라서 발전 중 회전자에서 손실이 발생하는 것은 정상적인 에너지변환 과정의 일부다.

유도발전기는 풍력발전에 왜 사용됐을까?

풍력터빈은 바람의 상태에 따라 기계적인 입력이 계속 변한다.

전통적인 고정속도 풍력발전시스템에서는 농형 유도발전기가 사용된 사례가 많다.

구조가 단순하고 견고하며 계통에 직접 연결하여 사용할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.

회전속도는 동기속도보다 약간 높은 범위에서 변하면서 발전할 수 있다.

다만 속도변화 범위가 크지 않고 무효전력이 필요하다는 단점이 있다.

그래서 현대 풍력발전에서는 전력전자 변환장치를 이용하는 다양한 발전방식이 널리 사용된다.

권선형 유도발전기를 사용하면 무엇이 달라질까?

권선형 유도기는 회전자에 3상 권선이 있고 슬립링을 통해 외부회로와 연결할 수 있다.

회전자 회로를 외부에서 제어할 수 있다는 점이 농형과 가장 큰 차이다.

이를 활용하면 회전자전류와 전력흐름을 보다 적극적으로 제어할 수 있다.

풍력발전에서 사용하는 이중여자 유도발전기 DFIG는 이런 권선형 유도기의 특성을 이용한다.

DFIG는 왜 가변속 운전이 가능할까?

일반적인 농형 유도발전기를 계통에 직접 연결하면 속도변화범위가 동기속도 근처로 제한되는 편이다.

DFIG에서는 회전자권선을 전력전자 컨버터와 연결한다.

컨버터가 회전자에 적절한 주파수와 위상의 전류를 공급하거나 회수하면서 회전자 슬립전력을 제어한다.

그래서 회전속도가 동기속도보다 낮거나 높은 범위에서도 계통주파수의 전력을 공급할 수 있다.

풍속에 맞추어 터빈속도를 변화시키기 쉬워 에너지 이용률을 높이는 데 유리하다.

DFIG는 일반 농형 유도발전기와 같은 것일까?

기본적인 유도기 원리는 공유하지만 운전과 제어는 훨씬 복잡하다.

농형 유도발전기는 회전자 도체가 내부적으로 단락되어 있다.

DFIG는 회전자권선을 슬립링을 통해 컨버터에 연결하여 회전자전력을 제어한다.

따라서 유효전력과 무효전력 제어, 가변속 운전능력이 크게 달라진다.

유도발전기라고 해서 모두 같은 특성을 가진다고 보면 안 된다.

소수력에서도 유도발전기를 사용할 수 있을까?

가능하다.

소규모 수력설비에서는 수차가 유도기를 동기속도보다 빠르게 구동하도록 구성해 발전기로 사용할 수 있다.

계통연계형에서는 전압과 주파수를 계통이 제공하기 때문에 제어가 비교적 단순해질 수 있다.

구조가 견고하고 유지보수가 비교적 쉬운 것도 장점이다.

다만 발전용량과 계통조건, 무효전력 공급, 보호와 계통연계규정을 충분히 검토해야 한다.

일반 유도전동기를 억지로 빨리 돌리면 전기를 만들 수 있을까?

원리적으로는 가능하다.

계통에 적절하게 연결된 유도전동기의 축을 외부 원동기가 동기속도보다 빠르게 밀면 음의 슬립이 형성되어 유효전력이 계통으로 흐를 수 있다.

하지만 실제 설비를 발전기로 사용하려면 정격과 냉각, 속도한계, 베어링, 절연, 계통보호, 역전력, 무효전력 등을 검토해야 한다.

단순히 모터축을 빠르게 돌린다고 안전한 발전설비가 되는 것은 아니다.

인버터로 구동되는 유도전동기도 발전할 수 있을까?

가능하다.

인버터가 만든 회전자계의 동기속도보다 실제 회전자 속도가 높아지는 상황이 생기면 유도전동기는 회생영역으로 들어갈 수 있다.

예를 들어 큰 관성을 가진 부하를 감속하거나 하강부하가 모터를 끌고 갈 때 이런 상황이 나타날 수 있다.

기계에너지가 모터를 통해 전기에너지로 되돌아온다.

다만 일반 인버터가 이 에너지를 전원측으로 다시 보내지 못하면 DC 링크 전압이 상승할 수 있다.

이때 제동저항이나 회생컨버터가 필요해진다.

이 원리는 이후 회생제동을 이해하는 데 중요한 기초가 된다.

동기속도보다 빠르다고 항상 안전하게 발전하는 것은 아니다

발전영역에 들어갔다고 해서 속도를 계속 높여도 되는 것은 아니다.

유도기에는 최대 허용회전속도가 있다.

베어링과 회전자 기계강도에도 한계가 있다.

전류와 발열에도 정격이 있다.

또 토크-속도곡선에는 안정적으로 운전할 수 있는 범위가 존재한다.

따라서 발전운전에서도 속도와 출력, 전류, 온도를 정격범위 안에서 관리해야 한다.

극수가 달라지면 발전이 시작되는 속도도 달라진다

동기속도는

Ns = 120f / P

이므로 극수가 많아질수록 동기속도는 낮아진다.

60Hz에서

2극은 3600rpm,

4극은 1800rpm,

6극은 1200rpm,

8극은 900rpm

이다.

유도발전기는 각 기계의 동기속도를 조금 넘어야 발전영역에 들어간다.

따라서 저속 원동기에 사용할 발전기는 극수와 기어비 등을 함께 고려해야 한다.

계통주파수가 바뀌면 기준속도도 바뀐다

같은 4극 기계라도 60Hz에서는 동기속도가 1800rpm이지만 50Hz에서는

Ns = 120 × 50 / 4 = 1500rpm

이다.

따라서 50Hz 계통에서 발전하려면 회전자 속도가 1500rpm보다 높은 영역으로 들어가야 한다.

유도발전기의 발전기준속도는 기계 자체의 고정 rpm이 아니라 주파수와 극수로 결정되는 동기속도를 기준으로 한다.

유도발전기는 주파수를 스스로 정하는 발전기일까?

계통연계 유도발전기에서는 아니다.

출력주파수는 강한 전력계통에 의해 결정된다.

발전기가 60Hz 계통에 연결되어 있다면 고정자전압과 전류 역시 60Hz를 기준으로 움직인다.

회전자 속도는 그 동기속도보다 조금 높다.

따라서

회전자 rpm = 출력전압 주파수

처럼 단순하게 연결해서 생각하면 안 된다.

무효전력 보상용 콘덴서는 왜 사용할까?

유도발전기가 계통에서 자화무효전력을 계속 흡수하면 계통의 역률이 낮아질 수 있다.

발전기 근처에 콘덴서를 설치하면 필요한 무효전력 일부를 현장에서 공급할 수 있다.

그러면 계통에서 끌어오는 무효전류를 줄일 수 있다.

배선과 변압기에 흐르는 전류도 줄어들 수 있고 전압특성도 개선할 수 있다.

하지만 콘덴서 용량을 과도하게 선정하면 과보상이나 자체여자 문제를 고려해야 한다.

계통이 끊어졌는데 콘덴서가 연결돼 있으면 왜 주의해야 할까?

유도발전기와 콘덴서, 부하가 함께 고립되면 조건에 따라 자체여자가 형성될 수 있다.

그러면 외부계통 차단기가 열렸는데도 독립된 부분에 전압이 남거나 형성될 가능성이 있다.

이를 의도하지 않은 섬운전과 연결해 생각할 수 있다.

따라서 분산형 발전설비에서는 계통상실을 검출하고 적절하게 발전원을 분리하는 보호가 중요하다.

정비할 때도 계통차단만으로 발전기 단자가 반드시 무전압이라고 단정해서는 안 된다.

유도발전기의 단락전류는 동기발전기와 같을까?

특성이 다르다.

동기발전기는 회전자 계자자속이 존재하고 여자시스템이 이를 유지할 수 있기 때문에 고장전류 특성이 초과도·과도·정상상태 영역으로 나타난다.

유도발전기도 단락 초기에는 내부자속과 회전자전류 때문에 고장전류를 공급할 수 있다.

하지만 외부계통전압이 크게 떨어지면 자화자속을 유지하기 어려워져 고장전류가 비교적 빠르게 감소할 수 있다.

정확한 특성은 기계와 계통, 전력전자 구성에 따라 달라진다.

유도발전기의 보호에서는 무엇을 봐야 할까?

유도발전기도 발전설비이므로

과전류,

지락,

과전압·저전압,

과주파수·저주파수,

역전력 또는 motoring,

베어링과 권선온도,

계통상실

등을 고려할 수 있다.

실제 보호구성은 발전기 용량과 계통연계방식에 따라 달라진다.

특히 계통에 연결되는 분산형 발전원은 해당 계통의 연계규정과 보호협조를 따라야 한다.

유도발전기에서 역률을 반드시 봐야 하는 이유

계통연계 농형 유도발전기는 일반적으로 자화를 위해 무효전력을 필요로 한다.

따라서 상당한 유효전력을 생산하고 있는데도 역률이 좋지 않을 수 있다.

고정자전류에는 유효전력 성분과 무효전력 성분이 함께 포함된다.

같은 kW를 발전해도 자화무효전력이 커지면 고정자전류가 증가하고 동손도 커진다.

그래서 유도발전기 운전에서는

kW,

kvar,

역률,

전류,

전압

을 함께 보는 것이 중요하다.

현장에서 전류는 흐르는데 kW가 거의 0이라면?

회전속도가 동기속도 부근에 있을 가능성을 생각할 수 있다.

유도기는 동기속도 근처에서 전자기토크와 유효전력 교환이 작아진다.

하지만 자속을 유지하기 위한 자화전류는 계속 흐를 수 있다.

그래서 고정자전류가 완전히 0은 아닌데 유효전력은 매우 작게 보일 수 있다.

이때 속도가 동기속도보다 낮아지면 전동기 방향으로,

높아지면 발전기 방향으로 유효전력이 이동한다.

kW 부호가 바뀌면 무엇을 확인해야 할까?

전력계에서 유효전력 방향이 바뀌었다면 먼저 계측기의 부호 convention을 확인해야 한다.

그다음 회전자 속도와 원동기 토크상태를 확인할 수 있다.

유도발전기로 운전하던 기계가 동기속도 아래로 내려가면 계통에서 전력을 받아 전동기로 운전할 수 있다.

반대로 유도전동기를 외부 부하가 밀어 동기속도 위로 올리면 회생 또는 발전방향으로 전력이 흐를 수 있다.

유도발전기는 왜 동기탈조가 없을까?

일반적인 농형 유도발전기는 동기발전기처럼 회전자 자계가 계통자계와 일정한 전력각으로 고정되어 운전하는 구조가 아니다.

애초에 일정한 슬립을 가지고 운전한다.

그래서 동기기의 탈조와 같은 형태로 회전자 자계가 동기를 잃는 현상을 동일하게 적용하지는 않는다.

대신 속도와 슬립이 변하면서 전자기토크가 달라진다.

이 점은 유도기의 큰 특징이다.

그렇다고 유도발전기가 항상 더 안정적인 것은 아니다

동기탈조가 없다고 모든 운전문제가 사라지는 것은 아니다.

계통전압이 떨어지면 자화능력이 약해질 수 있다.

무효전력 부족으로 전압이 불안정해질 수도 있다.

속도가 지나치게 증가하면 과속문제가 생긴다.

전류와 발열한계도 있다.

DFIG처럼 전력전자장치가 포함된 시스템에서는 컨버터의 보호와 제어까지 추가된다.

기계구조가 단순하다는 것과 발전시스템 전체가 단순하다는 것은 같은 말이 아니다.

유도발전기가 적합한 곳은 어디일까?

원동기의 속도가 동기속도 부근에서 어느 정도 변할 수 있고,

구조의 단순성과 견고성이 중요하며,

큰 전력계통에서 자화무효전력을 공급받을 수 있는 환경이라면 유도발전기가 장점을 가질 수 있다.

소수력,

일부 풍력,

에너지 회수설비

등에서 활용할 수 있다.

반면 독립적인 전압과 주파수를 정밀하게 만들어야 하는 설비에서는 추가적인 여자·제어장치가 필요하다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 유도발전기는 유도전동기와 완전히 다른 구조의 기계가 아니다.

같은 유도기가 운전조건에 따라 발전기로 동작할 수 있다.

둘째, 유도전동기 운전에서는 회전자 속도가 동기속도보다 낮고 슬립은 양수다.

셋째, 유도발전기 운전에서는 회전자 속도가 동기속도보다 높고 슬립은 음수가 된다.

넷째, 회전자가 동기속도를 넘는다고 회전방향이 반대로 바뀌는 것이 아니다.

같은 방향으로 더 빠르게 회전하면서 상대운동 방향만 바뀐다.

다섯째, 발전기 영역에서는 전자기토크가 회전을 방해하는 방향으로 작용한다.

원동기가 이 토크를 이기면서 기계에너지를 공급한다.

여섯째, 일반적인 농형 유도발전기는 회전자 직류여자기가 필요하지 않지만 자화무효전력은 필요하다.

일곱째, 계통연계 유도발전기는 일반적으로 유효전력을 계통으로 공급하면서 무효전력을 계통에서 흡수할 수 있다.

여덟째, 계통연계 상태에서 고정자 출력주파수는 회전자 rpm이 아니라 계통주파수에 의해 결정된다.

아홉째, 콘덴서를 이용하면 자가여자 독립운전이 가능하지만 전압과 주파수 제어가 쉽지 않다.

열째, 동기속도보다 빠르면 무조건 계속 출력을 높여도 되는 것이 아니라 정격전류·발열·속도·토크 한계를 지켜야 한다.

마무리

유도발전기의 가장 중요한 원리는 유도전동기와 같은 기계가 동기속도를 기준으로 운전영역을 바꾼다는 데 있다.

슬립은

s = (Ns – Nr) / Ns

로 정의한다.

전동기 운전에서는

Nr < Ns

이므로 슬립이 양수다.

회전자계가 회전자보다 빠르고 전자기토크는 회전자를 끌어가는 방향으로 발생한다.

반대로 외부 원동기가 회전자를 동기속도보다 빠르게 돌리면

Nr > Ns

가 되고 슬립은 음수가 된다.

이때 회전자와 회전자계 사이의 상대운동 방향이 반대로 바뀐다.

전자기토크는 회전을 방해하는 방향으로 발생하고 원동기에서 공급된 기계에너지가 전기에너지로 변환된다.

그래서

기계입력 → 유도기 → 전기출력

이라는 발전운전이 가능해진다.

일반적인 농형 유도발전기에는 동기발전기와 같은 회전자 직류계자장치가 없다.

하지만 발전에 필요한 공극자속이 없어도 되는 것은 아니다.

계통연계 상태에서는 자화에 필요한 무효전력을 전력계통에서 공급받는다.

따라서 유도발전기는 흔히

유효전력은 계통으로 공급하고, 자화무효전력은 계통에서 받는 기계

로 이해할 수 있다.

콘덴서를 이용하면 독립적으로 자가여자 운전도 가능하지만 전압과 주파수를 안정적으로 유지하는 문제는 훨씬 복잡해진다.

동기발전기와 비교하면 유도발전기는 구조가 단순하고 농형에서는 브러시와 슬립링이 필요하지 않아 견고하다는 장점이 있다.

반면 무효전력이 필요하고 여자전류를 직접 조절하기 어려우며 독립적인 전압·주파수 제어가 쉽지 않다는 특성이 있다.

결국 유도발전기를 이해하는 가장 중요한 기준은 발전기라는 이름이 아니라 동기속도와 회전자 속도의 관계다.

다음 글에서는 이 부분만 한 단계 더 깊게 들어가 유도전동기가 동기속도를 넘어가는 순간 왜 슬립의 부호와 전자기토크, 전력의 방향이 반대로 바뀌는지 토크-속도 특성과 함께 자세히 살펴본다.