동기발전기의 구조와 고정자·회전자는 어떤 역할을 할까?

앞에서는 발전기가 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 원리를 살펴봤다.

그렇다면 실제 동기발전기 내부에서는 어느 부분이 자기장을 만들고, 어느 부분에서 우리가 사용하는 3상 전압이 발생할까?

동기발전기의 구조를 가장 크게 나누면 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)로 구분할 수 있다.

고정자는 이름 그대로 움직이지 않는 부분이고, 회전자는 원동기에 연결되어 실제로 회전하는 부분이다.

일반적인 대용량 동기발전기에서는 역할도 비교적 분명하게 나뉜다.

회전자 → 자계를 만든다.

고정자 → 3상 전압이 유도되고 주전력을 외부로 공급한다.

즉 원동기가 회전자를 돌리면 회전자에 만들어진 N극과 S극의 자계도 함께 회전한다.

이 회전자계가 고정자의 3상 권선과 계속 쇄교하면서 각 상에 교류전압을 유도한다.

동기발전기의 구조를 이해하는 핵심은 단순히 부품 이름을 외우는 것이 아니라

회전자에서 자계를 만들고 → 그 자계를 회전시키고 → 고정자에서 전압을 얻는다

라는 흐름을 이해하는 데 있다.

동기발전기의 전체 구조부터 살펴보자

동기발전기는 크게 다음과 같은 부분으로 구성된다.

고정자,

회전자,

고정자 철심,

3상 전기자 권선,

계자권선,

회전축,

베어링,

여자장치,

냉각장치,

프레임

등이다.

대형 발전기에서는 여기에 온도감시장치와 진동감시장치, 냉각계통, 보호계전설비 등 여러 보조설비가 추가된다.

하지만 전자기적인 기본구조만 놓고 보면 가장 중요한 부분은 역시 고정자와 회전자다.

고정자는 어떤 역할을 할까?

고정자는 발전기 외곽에 고정되어 있는 부분이다.

일반적인 대용량 동기발전기의 고정자에는 3상 전기자 권선이 배치된다.

회전자에서 만들어진 자계가 회전하면 이 자속이 고정자 권선과 반복적으로 쇄교한다.

그러면 패러데이의 전자기유도 법칙에 의해 고정자 권선에 전압이 발생한다.

따라서 일반적인 동기발전기에서는

고정자 = 발전된 주전력을 얻는 부분

이라고 생각할 수 있다.

이 점은 전동기를 공부할 때와도 연결된다.

동기전동기의 구조와 유도전동기와의 차이를 살펴봤다면 고정자에 3상 권선이 배치되는 구조 자체는 익숙할 것이다.

다만 전동기에서는 고정자 권선에 전류를 공급하여 회전자계를 만들었다면, 발전기에서는 회전하는 회전자 자계가 고정자 권선에 전압을 유도한다는 점에서 에너지 흐름이 반대다.

고정자 철심은 왜 필요한가?

고정자 권선을 공기 중에 배치하는 것보다 철심에 배치하면 자속이 흐를 수 있는 효과적인 자기회로를 만들 수 있다.

철은 공기보다 투자율이 훨씬 높기 때문에 자속이 통과하기 쉬운 경로를 제공한다.

고정자 철심 안쪽에는 여러 개의 슬롯이 만들어져 있고 그 슬롯 안에 3상 전기자 권선이 배치된다.

하지만 발전기의 자속은 시간에 따라 계속 변한다.

철심이 하나의 두꺼운 금속덩어리라면 그 안에 큰 와전류가 발생할 수 있다.

그래서 실제 고정자 철심은 얇은 전기강판을 여러 장 적층하여 만든다.

철판 사이를 전기적으로 절연함으로써 와전류가 흐를 수 있는 경로를 작게 만들어 와전류손실을 줄이는 것이다.

고정자 철심에도 손실이 발생한다

고정자 철심에는 주기적으로 방향과 크기가 변하는 자속이 통과한다.

따라서 철손이 발생한다.

철손은 크게

히스테리시스손,

와전류손

으로 나눌 수 있다.

발전기의 용량이 커지면 아주 작은 손실률도 상당한 열로 나타날 수 있다.

그래서 대형 발전기에서는 철심의 재료와 적층상태, 냉각구조가 매우 중요하다.

철심 일부에서 국부적인 단락이 발생하면 와전류가 증가하여 특정 부분만 비정상적으로 가열되는 문제도 생길 수 있다.

고정자 슬롯에는 무엇이 들어갈까?

고정자 철심의 안쪽에는 여러 개의 슬롯이 만들어져 있다.

이 슬롯 안에 A상, B상, C상의 전기자 권선이 분포되어 배치된다.

단순한 그림에서는 세 개의 코일만 그려서 3상 발전기를 설명하지만 실제 발전기에는 각 상의 권선이 여러 슬롯에 나뉘어 배치된다.

이렇게 권선을 분포시키는 이유 가운데 하나는 보다 정현파에 가까운 유기전압을 얻기 위해서다.

실제 발전기에서는 권선의 배치방법에 따라 권선계수

kw

가 결정되고 이것이 유기기전력에도 영향을 준다.

대표적인 유기기전력 관계는

E = 4.44kwfNΦ

로 나타낼 수 있다.

여기서

E는 상 유기기전력,

kw는 권선계수,

f는 주파수,

N은 한 상의 직렬 권선수,

Φ는 극당 자속이다.

즉 발전기의 전압은 회전자 자속뿐 아니라 고정자의 권선구조와도 직접적인 관계가 있다.

왜 3상 권선을 사용할까?

대부분의 산업용 발전기는 3상 교류를 발생시킨다.

고정자에 A상, B상, C상의 권선을 공간적으로 일정한 간격을 두고 배치하면 회전자 자계가 회전하면서 각 상에 순차적으로 전압을 유도한다.

정상적인 3상 발전기에서는 세 상의 전압이 서로

120도의 전기각

차이를 가진다.

따라서

A상 전압,

B상 전압,

C상 전압

이 같은 주파수와 비슷한 크기를 가지면서 서로 120도씩 위상이 어긋난 3상 교류가 된다.

전동기에서는 3상 전류를 이용해 회전자계를 만들었다.

발전기에서는 반대로 회전자계가 3상 전압을 만들어낸다.

고정자 권선은 왜 회전하지 않을까?

발전기의 기본원리를 설명할 때는 자석 사이에서 코일 자체를 회전시키는 그림도 많이 사용한다.

원리적으로는 그렇게 해도 발전이 가능하다.

그런데 실제 대용량 동기발전기에서는 발전된 주전력을 고정자에서 꺼내는 구조가 일반적이다.

이유를 생각해보면 이해하기 쉽다.

대형 발전기의 출력은 매우 크다.

고정자 권선에는 높은 전압과 큰 전류가 발생할 수 있다.

만약 이 대전력을 회전하는 회전자에서 꺼내야 한다면 회전하는 부분과 고정된 외부회로 사이에 큰 전류를 전달할 장치가 필요하다.

절연과 냉각도 어려워진다.

반면 전기자 권선을 고정자에 두면 출력단자를 고정된 상태에서 연결할 수 있다.

고전압 절연도 더 쉽게 구성할 수 있고 냉각도 유리하다.

따라서 대형 동기발전기는 보통

대전력을 처리하는 전기자 권선은 고정자에 두고, 상대적으로 작은 여자전력을 사용하는 계자부분은 회전자에 둔다.

회전자는 어떤 역할을 할까?

회전자의 가장 중요한 역할은 발전에 필요한 회전자계를 만드는 것이다.

일반적인 권선형 동기발전기의 회전자에는 계자권선이 있다.

이 계자권선에 직류전류를 공급하면 회전자에 N극과 S극이 형성된다.

이 직류전류를 계자전류 If라고 한다.

회전자에 자극이 만들어진 상태에서 원동기가 회전자를 돌리면 N극과 S극 역시 함께 회전한다.

그 결과 고정자에서 보면 자기장이 일정한 속도로 회전하는 것처럼 보인다.

이 회전자계가 고정자 전기자 권선과 쇄교하면서 3상 전압을 만든다.

회전자 계자에는 왜 직류를 공급할까?

회전자에 일정한 N극과 S극을 만들려면 극성이 회전자 기준에서 계속 유지되어야 한다.

계자권선에 직류를 공급하면 회전자에서 일정한 방향의 자기장이 만들어진다.

회전자 자체가 회전하기 때문에 고정자에서 바라보면 그 자계가 공간적으로 회전하는 자계가 된다.

즉

회전자 기준 → 일정한 N극과 S극

이지만

고정자 기준 → 회전하는 자기장

이 된다.

이 점이 동기발전기의 중요한 특징이다.

회전자에 직류는 어떻게 공급할까?

회전하는 계자권선에 직류를 공급하려면 특별한 여자시스템이 필요하다.

전통적인 방식 가운데 하나는 슬립링과 브러시를 사용하는 것이다.

고정된 브러시가 회전축에 연결된 슬립링과 접촉하면서 외부 직류전원을 회전자 계자권선에 전달한다.

하지만 브러시는 마모되고 분진이 발생할 수 있으며 정기적인 점검이 필요하다.

그래서 대형 발전기에서는 브러시리스 여자방식도 널리 사용된다.

브러시리스 여자방식은 어떻게 동작할까?

브러시리스 여자시스템에서는 주발전기 축에 여자기를 함께 설치할 수 있다.

여자기에서 발생한 전력을 회전정류기를 통해 직류로 변환한 뒤 주발전기 회전자 계자권선에 공급한다.

이 과정이 회전하는 부분 안에서 이루어지기 때문에 주계자전류를 공급하기 위한 브러시와 슬립링을 줄이거나 없앨 수 있다.

결과적으로 브러시 마모와 접촉불량 같은 유지보수 요소가 줄어든다.

실제 발전소에서는 여자방식이 여러 형태로 구성될 수 있으므로 발전기의 도면과 제조사 자료를 확인하는 것이 중요하다.

영구자석을 사용하면 계자전류가 필요 없지 않을까?

그렇다.

동기발전기라고 해서 반드시 회전자 계자권선을 사용해야 하는 것은 아니다.

소형 발전기나 풍력발전기 등에서는 회전자에 영구자석을 사용하는 영구자석 동기발전기(PMSG)도 있다.

이 경우 영구자석 자체가 회전자 자속을 만들기 때문에 별도의 계자전류가 필요하지 않는다.

하지만 전통적인 대형 동기발전기에서는 계자전류를 조절하여 발전기의 전압과 무효전력 특성을 제어할 수 있다는 장점 때문에 권선형 계자구조가 많이 사용된다.

따라서

동기발전기 = 무조건 계자권선

이라고 단정하기보다는 일반적인 대형 동기발전기의 대표적인 구조라고 이해하는 것이 정확하다.

고정자와 회전자 사이의 공극은 왜 중요할까?

고정자와 회전자는 직접 접촉하면 안 된다.

둘 사이에는 일정한 공간이 필요하다.

이를 공극(Air Gap)이라고 한다.

자속은 회전자에서 발생하여 공극을 지나 고정자 철심으로 들어간다.

그런데 공기는 철보다 투자율이 매우 낮다.

따라서 공극은 자기회로에서 큰 자기저항을 차지한다.

공극이 지나치게 크면 같은 자속을 만들기 위해 더 많은 여자자력이 필요하다.

반대로 공극을 너무 작게 만들면 회전자의 편심이나 진동, 열팽창 등으로 고정자와 회전자가 접촉할 위험이 증가한다.

따라서 발전기에서는 전자기적인 성능과 기계적인 안전성을 함께 고려하여 적절한 공극을 설계한다.

회전자가 중심에서 벗어나면 어떤 문제가 생길까?

베어링 마모나 축 정렬 이상 등으로 회전자가 한쪽으로 치우치면 공극이 일정하지 않게 될 수 있다.

이를 공극편심과 연결해 볼 수 있다.

공극이 한쪽에서는 좁아지고 반대쪽에서는 넓어지면 자속분포도 불균형해질 수 있다.

그 결과

진동,

전자기적인 불평형력,

베어링 부하 증가,

이상음,

국부적인 발열

등으로 이어질 수 있다.

대형 회전기기에서 축정렬과 베어링 상태를 중요하게 관리하는 이유 가운데 하나다.

동기발전기의 회전자는 한 종류뿐일까?

아니다.

동기발전기의 대표적인 회전자 구조는 크게

돌극형 회전자

와

원통형 회전자

로 나눌 수 있다.

어떤 회전자를 사용하는지는 발전기의 회전속도와 극수, 원동기의 특성에 크게 영향을 받는다.

돌극형 회전자는 어떻게 생겼을까?

돌극형 회전자는 회전자 표면에서 자극이 돌출된 형태다.

각 자극에는 계자권선이 감겨 있고 여러 개의 N극과 S극을 만들 수 있다.

큰 직경에 비해 축방향 길이가 상대적으로 짧은 형태가 많다.

돌극형은 많은 극을 구성하기 쉽기 때문에 낮은 회전속도에서 정격주파수를 만들어야 하는 발전기에 적합하다.

대표적으로 수력발전기를 생각할 수 있다.

수차는 증기터빈만큼 높은 속도로 회전하지 않는 경우가 많다.

따라서 필요한 50Hz 또는 60Hz를 얻기 위해 극수를 많이 사용한다.

원통형 회전자는 왜 모양이 매끄러울까?

원통형 회전자는 돌극형처럼 자극이 크게 돌출되어 있지 않고 전체적으로 매끄러운 원통에 가까운 형태를 가진다.

회전자 표면 부근의 슬롯에 계자권선을 배치한다.

이 구조는 기계적으로 강하고 고속회전에 유리하다.

그래서 증기터빈과 연결되는 터빈발전기에서 많이 사용된다.

터빈발전기는 매우 높은 속도로 회전하기 때문에 큰 원심력을 견뎌야 한다.

돌출된 극을 여러 개 만드는 구조보다 단단한 원통형 회전자가 고속회전에 유리하다.

회전속도와 극수는 어떤 관계가 있을까?

동기발전기의 주파수는 회전속도와 극수에 의해 결정된다.

관계는

Ns = 120f / P

이다.

여기서

Ns는 동기속도,

f는 주파수,

P는 극수다.

60Hz 발전기를 예로 들어보면

2극이면

Ns = 3600rpm

4극이면

Ns = 1800rpm

6극이면

Ns = 1200rpm

이 된다.

따라서 고속 터빈과 연결되는 발전기는 적은 극수를 사용하고, 저속 수차와 연결되는 발전기는 많은 극수를 사용하면 같은 주파수를 만들 수 있다.

회전자 형상과 원동기의 속도가 서로 밀접하게 연결되는 이유다.

회전축은 단순히 회전자를 지지하는 부품일까?

회전축은 회전자를 지지할 뿐 아니라 원동기의 기계적 토크를 발전기에 전달한다.

발전기에서 실제 에너지변환은 이 축을 통해 들어오는 기계입력에서 시작한다.

원동기의 출력토크가 축을 통해 회전자에 전달되고 회전자 자계가 회전한다.

발전기에 부하가 증가하면 전자기적인 반대토크도 커진다.

따라서 축은 발전기의 정격출력과 과도상태에서 발생할 수 있는 토크를 충분히 견딜 수 있어야 한다.

단락과 같은 큰 전기적 사고가 발생하면 순간적으로 매우 큰 전자기토크가 나타날 수 있기 때문에 축계의 기계적인 강도도 중요하다.

베어링은 왜 중요한가?

베어링은 무거운 회전자를 정확한 위치에서 부드럽게 회전할 수 있도록 지지한다.

발전기는 장시간 일정한 속도로 운전하는 경우가 많기 때문에 베어링 상태가 매우 중요하다.

베어링에 문제가 발생하면

진동 증가,

온도 상승,

소음 발생,

회전자 편심,

축 손상

등으로 이어질 수 있다.

심한 경우 고정자와 회전자가 접촉하는 큰 사고로 이어질 수도 있다.

따라서 대형 발전기에서는 베어링 온도와 진동을 지속적으로 감시하는 경우가 많다.

발전기의 냉각은 왜 중요한가?

발전기 내부에서는 여러 종류의 손실이 발생한다.

고정자 권선에는

I²R

에 의한 동손이 발생한다.

고정자와 회전자 철심에서는 철손이 발생한다.

계자권선에도 전류가 흐르므로 계자 동손이 발생한다.

베어링과 회전부분에는 마찰손과 풍손도 있다.

이러한 손실은 대부분 열로 바뀐다.

온도가 지나치게 올라가면 권선 절연의 수명이 감소하고 고장이 발생할 가능성도 커진다.

따라서 발전기 용량이 커질수록 냉각시스템의 중요성도 커진다.

발전기마다 냉각방식이 같은 것은 아니다

소형 발전기는 주변 공기를 이용한 공랭방식만으로도 충분할 수 있다.

하지만 대형 발전기는 발생하는 열이 매우 크기 때문에 보다 적극적인 냉각시스템이 필요하다.

설계에 따라 공기나 수소, 물 등을 이용하는 여러 냉각방식이 사용될 수 있다.

특히 대형 터빈발전기에서는 풍손 감소와 열전달 특성 등을 이유로 수소냉각을 적용하는 경우도 있다.

일부 대용량 발전기에서는 고정자 권선 내부를 직접 물로 냉각하기도 한다.

따라서 냉각계통은 단순한 보조설비가 아니라 발전기의 정격출력을 유지하는 데 중요한 시스템이다.

실제로 전압은 어떻게 만들어질까?

지금까지 구조를 하나의 과정으로 연결해보자.

먼저 여자장치가 회전자 계자권선에 직류전류를 공급한다.

그러면 회전자에 N극과 S극이 만들어진다.

원동기가 축을 회전시키면 회전자 자계도 함께 회전한다.

회전하는 자계가 고정자의 A상, B상, C상 권선과 차례대로 쇄교한다.

각 상의 자속쇄교가 시간에 따라 변하기 때문에 패러데이 법칙에 의해 유도기전력이 발생한다.

공간적으로 120도 배치된 3상 권선에서는 서로 120도의 위상차를 가진 전압이 발생한다.

결국

계자전류

→ 회전자 자속 생성

→ 원동기가 회전자 회전

→ 회전자계 형성

→ 고정자 권선의 자속쇄교 변화

→ 3상 유도전압 발생

이라는 흐름이 된다.

계자전류를 증가시키면 무슨 일이 생길까?

무부하 상태에서 회전속도가 일정하다고 하자.

회전자 계자전류 If를 증가시키면 일반적으로 회전자 자속 Φ가 증가한다.

발전기의 유기기전력 관계

E = 4.44kwfNΦ

에서 주파수와 권선수가 일정하다면 자속이 커질수록 유기기전력도 증가한다.

따라서 일정 범위에서는 계자전류를 증가시키면 발전기 전압도 증가한다.

하지만 철심이 포화되기 시작하면 계자전류를 계속 증가시켜도 자속과 전압이 같은 비율로 증가하지 않는다.

이 관계는 발전기의 무부하포화곡선을 이해하는 기초가 된다.

회전속도를 높여 전압을 조절하면 안 될까?

식만 보면

E ∝ fΦ

이므로 속도가 증가하면 주파수가 증가하고 유기기전력도 변할 수 있다.

하지만 발전기의 회전속도는 출력주파수와 직접 연결되어 있다.

전력계통에서 60Hz를 유지해야 한다면 전압을 조절하겠다고 회전속도를 마음대로 변경할 수 없다.

따라서 동기발전기에서 회전속도와 계자전류는 서로 다른 역할을 가진다.

회전속도는 주파수와 밀접하고,

계자전류는 자속과 유기전압에 직접적인 영향을 준다.

실제 계통연계 운전에서는 원동기 입력과 여자조절이 유효전력·무효전력과 각각 어떻게 연결되는지까지 살펴봐야 한다.

무부하와 부하 운전에서는 무엇이 달라질까?

발전기를 회전시키고 계자를 공급하면 부하가 없어도 고정자에 전압이 유도될 수 있다.

그러나 부하를 연결하면 고정자 전기자 권선에 전류가 흐르기 시작한다.

이 고정자 전류도 자기장을 만든다.

따라서 발전기 내부에는 이제

회전자 계자에 의한 자계와

고정자 전기자전류에 의한 자계

가 함께 존재하게 된다.

고정자 전류가 만드는 자계가 주계자 자계에 영향을 주는 현상을 전기자반작용이라고 한다.

부하의 역률과 크기에 따라 단자전압과 필요한 여자상태도 달라질 수 있다.

이 부분은 이후 동기발전기의 부하특성을 이해할 때 중요하게 다뤄진다.

고정자에 전류가 흐르면 발열도 증가한다

고정자 전기자 권선에는 저항이 존재한다.

따라서 부하전류 I가 흐르면

Pcu = 3I²Ra

와 관련된 동손이 발생한다.

전류가 커지면 동손은 전류의 제곱에 비례해 크게 증가한다.

예를 들어 전류가 10% 증가했다고 해서 동손도 10%만 증가하는 것이 아니다.

다른 조건이 같다면

1.1² = 1.21

이므로 약 21% 증가할 수 있다.

그래서 발전기를 장시간 과전류 상태로 운전하면 고정자 권선의 온도가 빠르게 상승할 수 있다.

왜 고정자 절연이 중요한가?

대형 발전기의 고정자 권선은 높은 전압을 발생시킨다.

따라서 권선과 철심 사이, 상과 상 사이, 권선 내부의 턴 사이에 충분한 절연이 필요하다.

절연은 열과 진동, 부분방전, 오염과 수분 등 여러 요인에 의해 열화될 수 있다.

절연이 약해지면

턴간 단락,

상간 단락,

지락

같은 고장으로 발전할 수 있다.

따라서 발전기 유지보수에서는 권선의 절연상태를 매우 중요하게 관리한다.

회전자 계자권선에도 고장이 생길 수 있다

회전자 계자권선도 도체와 절연체로 구성되어 있다.

따라서 회전자에서도

계자권선 단락,

접지,

단선,

과열,

접촉불량

등이 발생할 수 있다.

회전자 계자에 이상이 생기면 자속이 비정상적으로 변하고 발전기 전압이나 무효전력 특성에도 영향을 줄 수 있다.

심한 경우 회전자 자계가 충분히 유지되지 못해 정상운전이 어려워질 수 있다.

회전자와 고정자의 온도를 모두 봐야 하는 이유

고정자와 회전자는 손실이 발생하는 위치가 서로 다르다.

고정자는 큰 부하전류를 처리하므로 전기자 권선의 동손이 중요하다.

회전자는 계자전류가 흐르기 때문에 계자 동손이 발생한다.

또한 회전자는 직접 회전하고 있으므로 냉각조건도 고정자와 다르다.

따라서 발전기의 온도를 볼 때 단일 온도 하나만 확인하기보다

고정자 권선온도,

철심온도,

베어링온도,

냉각매체 온도,

가능한 경우 회전자 관련 온도

등을 종합적으로 보는 것이 좋다.

동기전동기와 구조가 비슷한 이유

동기전동기와 동기발전기는 기본적으로 같은 동기기 원리를 사용한다.

회전자에는 자계가 존재하고 고정자에는 3상 권선이 있다.

차이는 에너지의 흐름이다.

동기전동기에서는 고정자에 전기에너지를 공급하고 축에서 기계출력을 얻는다.

동기발전기에서는 축에 기계에너지를 공급하고 고정자에서 전기에너지를 얻는다.

따라서 구조를 따로 외우기보다는

같은 동기기에서 에너지 흐름방향이 바뀐다

고 이해하면 두 기계를 연결해서 이해하기 쉽다.

고정자와 회전자의 역할을 바꿀 수는 없을까?

원리적으로는 회전하는 전기자와 고정된 계자구조를 만들 수도 있다.

실제로 소형기기나 특수한 기기에서는 여러 구조가 존재한다.

하지만 대용량 발전기에서는 큰 출력전력을 고정자에서 직접 꺼내는 구조가 절연과 냉각, 유지보수 측면에서 유리하다.

그래서

고정자에 전기자 권선

회전자에 계자

라는 구조가 일반적으로 사용된다.

중요한 것은 이것을 단순한 암기사항으로 보는 것이 아니라 대전력을 회전부에서 꺼내지 않는 것이 왜 유리한지까지 이해하는 것이다.

현장에서 동기발전기를 볼 때 먼저 확인할 부분

발전기 이상이 발생했을 때는 전기적인 값과 기계적인 값을 함께 확인해야 한다.

전기적으로는

3상 단자전압,

상전류,

주파수,

유효전력,

무효전력,

역률,

계자전류와 계자전압

등을 확인한다.

기계적으로는

회전속도,

베어링 온도,

축진동,

윤활상태,

냉각상태,

이상음

등을 확인한다.

대형 발전기에서는 작은 이상이 전기적인 문제인지 기계적인 문제인지 단순히 한 가지 값만 보고 판단하기 어렵다.

세 상의 전류가 다르면 무엇을 의심할까?

정상적인 3상 부하에서는 각 상의 전류가 크게 차이나지 않는 것이 일반적이다.

그런데 한 상의 전류가 다른 상과 크게 다르다면

부하 불평형,

권선 이상,

접속부 문제,

계통의 전압불평형,

계측문제

등을 확인할 필요가 있다.

전류불평형이 지속되면 특정 권선의 발열이 증가할 수 있고 발전기 내부의 자계분포에도 영향을 줄 수 있다.

따라서 단순히 평균전류만 보는 것보다 각 상의 값을 따로 확인하는 것이 중요하다.

계자전류가 갑자기 달라졌다면 무엇을 볼까?

같은 운전조건인데 계자전류가 이전과 크게 달라졌다면 단순히 발전기 내부만 의심해서는 안 된다.

AVR의 동작,

계통전압,

무효전력 상태,

부하역률,

여자시스템,

전압검출회로

등 여러 요소가 계자전류에 영향을 줄 수 있다.

따라서 계자전류의 변화는 발전기의 자기적인 상태를 보여주는 중요한 정보이지만 반드시 다른 운전데이터와 함께 판단해야 한다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 일반적인 대형 동기발전기에서는 고정자에 3상 전기자 권선이 있고 회전자에 계자권선이 있다.

둘째, 회전자는 전기를 직접 생산해서 밖으로 보내는 부분이라기보다 발전에 필요한 회전자계를 만드는 역할을 한다.

셋째, 주전력은 일반적으로 고정자 전기자 권선에서 얻는다.

넷째, 회전자 계자권선에는 보통 직류전류를 공급한다.

다섯째, 회전자에 직류자계가 존재하더라도 회전자 자체가 회전하기 때문에 고정자에서는 회전하는 자기장으로 보인다.

여섯째, 고정자 철심은 와전류손실을 줄이기 위해 적층구조로 만든다.

일곱째, 동기발전기의 회전자는 돌극형과 원통형 등 서로 다른 구조를 사용할 수 있다.

여덟째, 돌극형은 일반적으로 저속·다극 구조에 유리하고 원통형은 고속·소수극 구조에 유리하다.

아홉째, 계자전류를 증가시키면 일정 범위에서 자속과 유기기전력이 증가하지만 철심포화 때문에 완전히 비례하지는 않는다.

열째, 동기발전기라고 해서 모든 발전기가 반드시 회전자 계자권선을 사용하는 것은 아니며 영구자석형도 존재한다.

마무리

동기발전기의 구조를 이해할 때 가장 중요한 것은 고정자와 회전자의 역할을 구분하는 것이다.

일반적인 대용량 동기발전기에서는 회전자 계자권선에 직류전류를 공급하여 N극과 S극을 만든다.

원동기가 회전자를 돌리면 이 자계가 함께 회전하면서 고정자의 3상 전기자 권선과 쇄교한다.

그 결과 고정자 권선에 서로 120도의 위상차를 가진 3상 교류전압이 유도된다.

즉 발전과정을 구조와 연결하면

회전자 계자 → 자속 생성

원동기 → 회전자 회전

회전자계 → 고정자 권선과 쇄교

고정자 전기자 권선 → 3상 전압 발생

이라는 흐름으로 정리할 수 있다.

대전력을 처리하는 전기자 권선을 고정자에 배치하는 이유도 단순하다.

고전압·대전류의 출력회로를 회전부에서 꺼내는 것보다 고정된 고정자에서 절연하고 냉각하며 외부계통과 연결하는 것이 훨씬 유리하기 때문이다.

그리고 회전자 역시 모두 같은 모양은 아니다.

저속·다극 기기에 적합한 돌극형과 고속회전에 유리한 원통형처럼 원동기의 특성과 회전속도에 따라 구조가 달라진다.

결국 동기발전기의 구조는 단순히 고정된 부분과 회전하는 부분으로 나누는 것이 아니다.

자계를 만드는 부분과 전력을 얻는 부분을 각각 어떤 구조로 배치해야 가장 효율적이고 안전한가를 반영한 결과라고 볼 수 있다.

다음 글에서는 구조에서 한 단계 더 들어가, 회전자의 자속이 고정자 권선에 어떻게 실제 전압을 만들어내는지 동기발전기의 유기기전력과 전압 발생 과정을 중심으로 살펴본다.