동기발전기의 부하가 증가하면 전압과 전류는 어떻게 변할까?

발전기가 무부하로 회전하고 있을 때는 고정자에서 전압이 만들어지고 있어도 외부로 공급하는 전류는 거의 없다.

이 상태에서 부하를 연결하면 발전기 내부에서는 여러 가지 변화가 동시에 일어난다.

가장 먼저 눈에 보이는 변화는 전기자전류의 증가다.

하지만 발전기에서 부하가 증가한다는 것은 단순히 전류 숫자 하나가 커지는 현상이 아니다.

전류가 증가하면 고정자 권선의 전압강하가 달라지고, 전기자반작용이 커지며, 발전기를 회전시키는 원동기에는 더 큰 기계적인 토크가 요구된다.

부하의 역률에 따라 단자전압의 변화도 달라진다.

또 발전기가 단독으로 운전하고 있는지, 대형 전력계통에 병렬로 연결되어 있는지에 따라서도 반응이 다르다.

그래서 발전기의 부하변화를 이해하려면

전류

전압

토크

회전속도와 주파수

를 함께 봐야 한다.

발전기에서 부하가 증가한다는 것은 무엇일까?

발전기의 단자에 전기부하를 연결하면 외부회로에서 전력을 소비한다.

3상 발전기에서 피상전력은

S = √3VLIL

로 나타낼 수 있다.

유효전력은

P = √3VLIL cosφ

이고,

무효전력은

Q = √3VLIL sinφ

로 나타낼 수 있다.

여기서

VL은 선간전압,

IL은 선전류,

φ는 전압과 전류 사이의 위상각이다.

따라서 발전기의 부하가 증가한다고 말할 때는 실제로 무엇이 증가했는지 살펴봐야 한다.

유효전력 P가 증가할 수도 있고,

무효전력 Q가 증가할 수도 있으며,

둘이 함께 증가할 수도 있다.

같은 kW 부하라도 역률이 달라지면 필요한 전류가 달라질 수 있다.

부하를 연결하면 왜 전류가 흐를까?

무부하 발전기에서는 단자전압이 존재하지만 외부회로가 사실상 열려 있기 때문에 부하전류는 거의 흐르지 않는다.

부하를 연결하면 폐회로가 형성된다.

발전기의 유기기전력에 의해 외부부하에 전압이 인가되고 전류가 흐르기 시작한다.

저항성부하라면 전압과 전류가 거의 같은 위상으로 흐른다.

유도성부하라면 전류가 전압보다 늦고,

용량성부하라면 전류가 전압보다 앞선다.

부하가 커지면 일반적으로 더 많은 전력이 필요하므로 전기자전류도 증가한다.

정격전압과 역률이 일정하다고 단순화하면

P ∝ I

로 볼 수 있다.

전압이 일정하다면 부하와 전류의 관계는 어떻게 될까?

예를 들어 3상 400V 발전기가 있다고 하자.

역률 1에서 10kW를 공급할 때 필요한 선전류는

I = P / (√3VL cosφ)

이므로 약

14.4A

다.

같은 조건에서 부하가 20kW로 증가하면 전류는 약

28.9A

가 된다.

즉 전압과 역률이 일정하다면 유효전력이 두 배가 될 때 전류 역시 대략 두 배가 된다.

하지만 실제 발전기에서는 부하가 증가하면서 단자전압과 역률도 변할 수 있기 때문에 항상 정확히 같은 비율로 증가하는 것은 아니다.

같은 kW라도 역률이 낮으면 전류가 커진다

이번에는 같은 20kW 부하를 생각해보자.

400V, 역률 1이라면 필요한 전류는 약 28.9A다.

하지만 역률이 0.8이라면

I = 20000 / (√3 × 400 × 0.8)

이므로 약

36.1A

가 필요하다.

부하가 사용하는 유효전력은 똑같이 20kW인데 발전기 권선에는 더 큰 전류가 흐른다.

그래서 발전기에서는 kW만 보면 부족하다.

kVA와 역률을 함께 봐야 한다.

역률이 낮아지면 같은 유효전력을 공급하기 위해 더 큰 고정자전류가 필요하고 권선의 열적인 부담도 커진다.

전류가 증가하면 단자전압은 어떻게 될까?

발전기의 한 상 내부전압관계는 단순화하면

E = V + Ia(Ra + jXs)

로 나타낼 수 있다.

여기서

E는 내부유기기전력,

V는 단자전압,

Ia는 전기자전류,

Ra는 고정자 권선저항,

Xs는 동기리액턴스다.

부하가 증가해 Ia가 커지면 내부 임피던스에 의한 전압차도 커진다.

따라서 계자전류와 회전속도를 그대로 유지한 상태에서는 일반적으로 부하가 증가하면서 단자전압이 변한다.

하지만 그 방향은 부하역률에 따라 달라질 수 있다.

지상역률 부하가 증가하면 어떻게 될까?

전동기와 변압기 같은 유도성부하가 많으면 발전기는 지상역률 전류를 공급하게 된다.

지상역률에서는 전기자전류가 단자전압보다 늦는다.

이 상태에서 부하전류가 증가하면 동기리액턴스에 의한 전압차가 커지고 전기자반작용도 단자전압을 낮추는 방향으로 작용하는 성분을 가질 수 있다.

그래서 여자전류를 그대로 유지한다면 일반적으로

부하 증가 → 전류 증가 → 단자전압 감소

의 경향이 나타나기 쉽다.

실제 발전기에서는 AVR이 이를 감지해 계자전류를 증가시키면서 단자전압을 유지하려 한다.

역률 1 부하에서는 어떻게 될까?

저항성부하처럼 역률이 1에 가까운 경우에도 부하전류가 증가하면 발전기 내부의 전압강하는 커진다.

따라서 여자조건이 일정하면 단자전압은 어느 정도 감소할 수 있다.

하지만 같은 전류라면 일반적으로 지상역률 부하보다 전압변화가 작은 편이다.

전기자반작용 역시 지상역률에서와 동일하게 작용하는 것은 아니다.

진상역률 부하에서는 전압이 올라갈 수도 있다

용량성부하처럼 전류가 전압보다 앞서는 진상역률에서는 상황이 달라진다.

전기자반작용이 계자자속을 강화하는 방향의 성분을 가질 수 있고 내부 페이저관계도 달라진다.

그래서 여자전류가 일정한 상태에서 부하를 증가시켰는데 단자전압이 감소하지 않고 오히려 증가하는 경우도 가능하다.

따라서

부하가 늘면 발전기 전압은 반드시 떨어진다

라고 외우면 정확하지 않다.

부하의 역률을 반드시 함께 봐야 한다.

부하가 증가하면 전기자반작용도 커진다

전기자반작용은 고정자에 흐르는 전기자전류가 만드는 자기장이 회전자 계자자속에 영향을 주는 현상이다.

부하전류가 작을 때는 고정자가 만드는 자계도 작다.

부하가 증가해 Ia가 커지면 고정자 전기자자계도 강해진다.

따라서 주계자 자속의 크기와 분포에 미치는 영향도 커진다.

이 때문에 발전기의 부하특성은 단순히 저항 Ra에서 생기는 I×R 전압강하만으로 설명할 수 없다.

대형 동기발전기에서는 오히려 동기리액턴스와 전기자반작용의 영향이 더 중요할 수 있다.

부하가 증가하면 전자기토크는 왜 커질까?

발전기는 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 장치다.

부하가 거의 없을 때는 외부로 전달하는 전력이 작기 때문에 원동기는 주로 발전기의 손실을 보상할 정도의 토크만 공급하면 된다.

하지만 전기부하가 증가하면 외부로 더 많은 전기에너지를 내보내야 한다.

에너지보존을 생각하면 그만큼 원동기에서도 더 많은 기계적인 에너지가 들어와야 한다.

기계출력은

Pm = Tmωm

으로 나타낼 수 있다.

전기출력이 증가하려면 같은 회전속도에서 원동기 토크 Tm이 증가해야 한다.

발전기 내부에서는 전력을 많이 만들어낼수록 회전을 방해하는 방향의 전자기토크도 커진다.

이 토크를 원동기가 이겨내야 회전속도를 유지할 수 있다.

이 개념은 동기전동기의 토크각과 부하각에서 에너지 흐름만 반대로 보면 서로 연결된다.

발전기는 왜 부하가 커질수록 돌리기 어려워질까?

작은 휴대용 발전기를 떠올리면 이해하기 쉽다.

부하가 거의 없을 때는 엔진이 비교적 가볍게 회전한다.

큰 전기부하를 연결하면 엔진소리가 달라지고 연료소비도 증가한다.

전기에너지를 더 많이 꺼내 쓰는 만큼 축에서 더 많은 기계적인 일이 필요하기 때문이다.

발전기에 부하를 연결하면 렌츠의 법칙에 따라 원인이 된 회전을 방해하는 방향으로 전자기적인 반작용이 나타난다.

그래서 부하가 커질수록 원동기는 더 큰 토크를 공급해야 한다.

원동기 토크가 증가하지 않으면 어떻게 될까?

독립운전 발전기를 생각해보자.

원동기가 일정한 토크를 공급하고 있는데 갑자기 큰 부하가 연결되었다.

전기출력이 증가하면서 발전기의 전자기 반대토크는 즉시 커진다.

하지만 디젤엔진이나 터빈의 기계적인 출력이 순간적으로 바로 증가하지 못할 수 있다.

그 순간

전자기 반대토크 > 원동기 토크

가 되면 회전자는 감속하기 시작한다.

회전속도가 낮아지면 발전기의 주파수도 감소한다.

즉 부하급증은 단순히 전류증가만 일으키는 것이 아니라 순간적으로 속도와 주파수를 떨어뜨릴 수 있다.

독립운전 발전기에서는 부하가 증가하면 어떻게 될까?

독립운전 발전기에 부하가 갑자기 증가했다고 하자.

가장 먼저 부하가 더 많은 전력을 요구하면서 전기자전류가 증가한다.

전류가 증가하면 발전기의 전자기 반대토크가 커진다.

원동기 출력이 즉시 따라오지 못하면 회전속도가 떨어지려 한다.

그 결과 주파수도 낮아지려 한다.

동시에 내부 전압강하와 전기자반작용 때문에 단자전압도 변할 수 있다.

이때 두 개의 주요 제어장치가 개입한다.

Governor는 원동기 입력을 조절하여 회전속도와 주파수를 회복시키고

AVR은 계자전류를 조절하여 단자전압을 회복시키는 역할을 한다.

그래서 독립발전기 부하변화를 볼 때는 AVR과 Governor를 구분해서 이해해야 한다.

Governor는 무엇을 하는가?

Governor는 원동기의 속도를 제어하는 조속기다.

디젤엔진이라면 연료량을 조절하고,

증기터빈이라면 증기유량을 조절하며,

수차라면 물의 유량 등을 조절하는 방식으로 원동기 출력을 바꿀 수 있다.

부하가 증가해 발전기 속도가 떨어지려 하면 Governor는 원동기에 공급되는 에너지를 증가시킨다.

그러면 원동기 토크가 증가하고 발전기 속도가 다시 정격값으로 회복된다.

독립운전에서

부하의 유효전력 증가 → 원동기 출력 증가

의 관계가 매우 중요하다.

AVR은 무엇을 하는가?

AVR은 발전기 단자전압을 검출하여 여자계통을 제어한다.

지상역률 부하가 증가하면서 단자전압이 낮아지려고 하면 AVR은 일반적으로 계자전류를 증가시킨다.

그러면 회전자 자속이 증가하고 내부유기기전력 E도 증가한다.

그 결과 단자전압을 목표값에 가깝게 유지한다.

그래서 독립운전을 단순화하면

Governor → 주파수

AVR → 전압

이라는 구분이 가능하다.

부하가 증가한다고 계자전류가 반드시 증가하는 것은 아니다

실제 AVR이 전압을 일정하게 유지하는 상황에서는 지상역률 부하가 증가할수록 여자전류가 증가하는 경우가 흔하다.

하지만 부하가 어떤 역률을 갖는지에 따라 필요한 여자상태가 달라진다.

특히 진상무효전력을 공급하는 부하에서는 발전기가 요구받는 여자조건이 달라질 수 있다.

따라서

부하전류 증가 = 계자전류 무조건 증가

라고 단순화하면 안 된다.

부하의 유효전력과 무효전력을 나누어 봐야 한다.

유효전력과 무효전력은 발전기에 서로 다른 부담을 준다

유효전력 P는 실제 기계적인 일이나 열 등으로 소비되는 전력이다.

발전기가 더 많은 유효전력을 공급하려면 결국 원동기에서 더 많은 기계적인 에너지가 들어와야 한다.

반면 무효전력 Q는 주로 전기장과 자기장을 형성하는 데 필요한 에너지의 왕복과 관계가 있다.

동기발전기에서는 무효전력과 여자상태가 밀접하게 연결되어 있다.

그래서 매우 단순하게 정리하면

원동기 입력 → 유효전력 P

여자조절 → 전압·무효전력 Q

의 관계가 중요하다.

이 구분은 발전기를 계통에 병렬운전할 때 더욱 분명해진다.

계통연계 발전기는 부하가 증가해도 속도가 떨어질까?

대형 전력계통에 연결된 동기발전기는 독립운전 발전기와 다르게 생각해야 한다.

전력계통은 수많은 발전기와 부하가 연결된 매우 큰 시스템이다.

한 대의 발전기가 계통에 동기되어 운전 중이라면 회전속도는 계통주파수에 강하게 구속된다.

예를 들어 60Hz 계통에 연결된 4극 동기발전기는 약

1800rpm

으로 회전한다.

이 발전기의 원동기 출력을 증가시킨다고 회전속도가 계속 1850rpm, 1900rpm으로 올라가는 것이 아니다.

정상적인 동기상태에서는 계통주파수에 맞춰 평균속도가 유지된다.

계통연계 발전기에서 원동기 출력을 높이면 어떻게 될까?

원동기 토크를 증가시키면 회전자는 순간적으로 앞서려는 경향을 가진다.

하지만 계통과 동기되어 있기 때문에 회전속도가 계속 빨라지는 대신 회전자 자계의 위치가 계통의 회전자계에 대해 앞쪽으로 이동한다.

이 위치차이를 전력각 또는 부하각 δ로 나타낼 수 있다.

원통형 동기기의 저항을 무시한 단순한 모델에서는 3상 유효전력을

P ≈ 3VE / Xs × sinδ

로 나타낼 수 있다.

여기서 V와 E는 상전압 기준의 크기다.

따라서 다른 조건이 일정할 때

원동기 입력 증가 → δ 증가 → 발전 유효전력 증가

의 관계가 나타난다.

발전기가 계통으로 더 많은 kW를 보내면서도 평균회전속도는 여전히 동기속도를 유지한다.

부하각이 커진다는 것은 회전자가 느려졌다는 뜻일까?

그렇지 않다.

정상적인 계통연계 운전에서 부하각이 증가한다는 것은 회전자가 계속 더 빠르게 회전한다는 뜻이 아니다.

새로운 안정상태에서 회전자 자계와 계통기준 사이의 각도 위치가 달라졌다는 뜻이다.

속도는 다시 동기속도로 맞춰진다.

이 부분은 동기기에서 자주 헷갈리는 개념이다.

각도차가 존재해도 두 자계의 평균회전속도는 동일할 수 있다.

전력각은 무한히 증가할 수 있을까?

단순한 전력각식

P = Pmax sinδ

를 생각하면 δ가 증가할수록 처음에는 전달할 수 있는 전력이 증가한다.

δ가 90°에 가까워질수록 이론적인 최대전력에 접근한다.

하지만 그 이상으로 운전점을 밀어붙이면 정상적인 동기상태를 유지하기 어려워질 수 있다.

실제 발전기에는 여자조건과 전력계통 임피던스, 돌극성, 각종 제한조건이 있으므로 단순히 90°를 실제 운전한계라고 그대로 적용해서도 안 된다.

운전에서는 충분한 안정도 여유를 확보해야 한다.

부하가 너무 커지면 탈조할 수도 있다

발전기가 계통과 동기를 유지할 수 있는 범위를 넘어서는 큰 기계입력을 받거나 계통고장 등으로 전력전달능력이 크게 떨어지면 회전자와 계통 사이의 동기를 잃을 수 있다.

이를 탈조라고 한다.

동기전동기에서도 부하가 지나치게 커지면 탈조가 발생할 수 있지만 발전기에서도 전력각 안정도는 매우 중요한 문제다.

따라서 대형 동기발전기는 정상적인 정격전력만 보는 것이 아니라 과도상태에서도 동기를 유지할 수 있는지 고려해야 한다.

계통연계 상태에서 전압은 누가 결정할까?

매우 큰 전력계통에 연결된 한 대의 발전기 입장에서 보면 단자전압은 계통전압의 영향을 강하게 받는다.

따라서 계자전류를 조금 높인다고 발전기 단자전압만 마음대로 크게 올릴 수 있는 것은 아니다.

대신 여자전류를 바꾸면 발전기가 계통과 주고받는 무효전력의 양이 크게 변한다.

즉 계통연계 운전에서는

원동기 입력 조절 → 유효전력 변화

여자전류 조절 → 무효전력과 역률 변화

라는 관계가 특히 중요하다.

계통연계 발전기에서 계자전류를 증가시키면 전류는 어떻게 될까?

이때는 부하전류의 크기만 보면 이해하기 어렵다.

발전기가 같은 유효전력을 공급하는 상태에서 계자전류를 변화시키면 무효전력의 흐름이 달라진다.

그 결과 전기자전류의 위상과 크기도 변할 수 있다.

여자가 너무 부족하거나 너무 많으면 같은 유효전력을 공급하는데도 고정자전류가 커질 수 있다.

그래서 발전기 운전에서는 계자전류를 무조건 크게 만드는 것이 좋은 것이 아니다.

고정자전류와 회전자 계자전류가 모두 허용범위 안에 들어가도록 운전해야 한다.

발전기의 정격은 왜 kW만으로 표시하지 않을까?

발전기의 고정자 권선에서 발생하는 열은 주로 전류와 관계가 있다.

동손은

Pcu = 3Ia²Ra

로 나타낼 수 있다.

전류는 유효전력뿐 아니라 무효전력에도 영향을 받는다.

따라서 발전기가 공급하는 kW가 크지 않아도 역률이 나쁘고 무효전력이 크면 고정자전류는 정격에 도달할 수 있다.

그래서 교류발전기는 보통 kW뿐 아니라

kVA

정격이 중요하다.

kVA는 발전기 권선과 절연이 실제로 감당해야 하는 전압과 전류의 부담을 나타내는 데 유용하다.

전류가 증가하면 손실도 크게 증가한다

발전기에서 철손과 동손은 서로 다른 특성을 가진다.

철손은 주로 자속과 주파수에 영향을 받는다.

반면 고정자 동손은

I²R

에 비례한다.

따라서 부하전류가 2배가 되면 저항이 일정하다고 가정했을 때 동손은

2² = 4배

가 된다.

부하가 증가할수록 권선발열이 빠르게 커질 수 있는 이유다.

정격전류를 넘어서는 과부하가 위험한 이유도 여기에 있다.

온도가 올라가면 다시 저항도 증가한다

구리권선의 저항은 온도가 높아지면 증가한다.

따라서 부하전류가 증가하면

전류 증가

→ 동손 증가

→ 권선온도 상승

→ 권선저항 증가

라는 흐름이 나타날 수 있다.

저항이 증가하면 다시 동손과 내부 전압강하에 영향을 줄 수 있다.

그래서 발전기의 정격전류는 단순히 도체가 끊어지는 한계가 아니라 절연수명과 냉각능력까지 고려하여 정해진다.

발전기에서 부하를 갑자기 투입하면 왜 전압도 순간적으로 떨어질까?

큰 부하를 갑자기 투입하면 고정자전류가 빠르게 증가한다.

전류증가에 따른 내부 전압강하와 전기자반작용의 변화는 매우 빠르게 나타난다.

하지만 AVR과 원동기의 제어는 완전히 즉각적일 수 없다.

그래서 순간적으로 전압이 낮아지는 현상이 나타날 수 있다.

특히 큰 유도전동기를 발전기에 직접 기동하면 기동전류가 매우 크기 때문에 발전기의 순간전압강하가 크게 나타날 수 있다.

전동기 기동부하는 왜 발전기에 부담이 클까?

유도전동기는 기동할 때 정격전류보다 훨씬 큰 전류가 흐를 수 있다.

작은 전력계통이나 비상발전기에서 큰 모터를 직접 기동하면 이 큰 전류를 발전기가 공급해야 한다.

그러면 발전기 내부 전압강하가 커지고 단자전압이 크게 떨어질 수 있다.

전압이 낮아지면 전동기 기동토크도 부족해질 수 있다.

모터가 가속되지 못하면 큰 기동전류가 오랫동안 유지되어 상황이 더 나빠질 수 있다.

그래서 비상발전기의 용량을 선정할 때는 정상운전 kW만 보는 것이 아니라 대형 전동기의 기동조건도 중요하다.

부하를 단계적으로 투입하는 이유

여러 대의 큰 부하를 한꺼번에 투입하면 발전기에는 큰 부하변동이 발생한다.

전류가 급격히 증가하고 전압과 주파수가 동시에 크게 흔들릴 수 있다.

그래서 독립전원이나 비상발전기에서는 중요부하를 순서대로 투입하도록 구성하는 경우가 있다.

이를 통해 발전기가 각 부하단계에 반응할 시간을 확보하고 순간적인 전압·주파수 변동을 줄일 수 있다.

과부하가 지속되면 어떤 문제가 생길까?

발전기의 과부하가 짧게 발생했다고 바로 고장나는 것은 아니다.

회전체와 권선에는 열용량이 있기 때문에 일정한 단시간 과부하를 견딜 수 있는 경우가 있다.

하지만 과부하가 계속되면 고정자전류가 높게 유지된다.

동손이 증가하고 권선온도가 상승한다.

절연물은 온도가 높을수록 열화가 빨라진다.

회전자 계자전류까지 증가한 상태라면 회전자권선도 과열될 수 있다.

따라서 발전기의 과부하는 단순히 “전압이 조금 떨어지는 문제”가 아니라 설비수명과 직접 연결된다.

부하가 늘면 원동기의 에너지 소비도 증가한다

발전기는 에너지를 만들어내는 장치라기보다 한 형태의 에너지를 다른 형태로 바꾸는 장치다.

10kW의 전기를 외부로 공급하려면 손실까지 포함해 10kW보다 더 큰 기계적인 입력이 필요하다.

50kW를 공급하려면 원동기 입력도 그만큼 증가해야 한다.

디젤발전기라면 연료소비가 증가하고,

증기터빈이라면 증기유량이 늘어나며,

수력발전기라면 수차에 전달하는 수력에너지가 증가해야 한다.

따라서 전기부하 변화는 곧 원동기의 기계적인 부하변화다.

효율도 부하에 따라 달라질 수 있다

발전기에는 부하와 비교적 관계가 작은 손실과 부하에 따라 크게 변하는 손실이 함께 존재한다.

철손과 기계손은 일정한 속도와 전압조건에서는 비교적 일정한 성분을 가진다.

반면 동손은 전류의 제곱에 따라 증가한다.

따라서 아주 작은 부하에서는 고정손실의 비중이 커져 효율이 낮을 수 있다.

부하가 증가하면 효율이 좋아지다가 지나치게 큰 부하에서는 동손이 크게 증가한다.

그래서 발전기도 정격점 부근에서 효율과 열적인 조건을 고려하여 설계된다.

부하증가와 전압강하는 항상 같이 나타날까?

여자전류가 일정한 발전기라면 지상역률 부하에서 부하가 증가할수록 전압이 떨어지는 경향이 뚜렷하다.

하지만 실제 발전기에는 AVR이 있다.

AVR이 충분히 계자전류를 증가시키면 부하가 증가해도 단자전압이 거의 일정하게 유지될 수 있다.

따라서 현장에서

“부하가 늘었는데 전압이 그대로인데?”

라고 생각할 수 있다.

이것은 전압변동이 없는 것이 아니라 AVR이 변동을 보상하고 있기 때문일 수 있다.

이때 계자전류를 함께 확인하면 발전기가 실제로 어떻게 반응하고 있는지 알기 쉽다.

전압은 일정한데 계자전류가 계속 증가한다면 무엇을 의미할까?

부하가 증가하면서 단자전압은 일정하지만 계자전류가 계속 증가하고 있다면 AVR이 전압을 유지하기 위해 여자를 더 공급하고 있을 가능성이 있다.

특히 지상무효전력이 증가하고 있는 경우 이런 경향이 나타날 수 있다.

따라서 전압계 하나만 보면 설비가 여유 있게 운전되는 것처럼 보이지만 실제로는 회전자 계자권선의 열적인 부담이 커지고 있을 수 있다.

발전기 운전에서는

전압,

고정자전류,

유효전력,

무효전력,

역률,

계자전류

를 함께 확인하는 것이 중요하다.

전류는 정상인데 kW가 낮을 수도 있을까?

가능하다.

역률이 낮으면 큰 전류가 흐르더라도 실제 유효전력은 상대적으로 작을 수 있다.

예를 들어 발전기가 정격전류에 가까운 상태인데 역률이 매우 낮다면 kW만 보면 정격보다 훨씬 작은 값을 나타낼 수 있다.

하지만 고정자 권선은 이미 큰 전류를 견디고 있으므로 열적인 여유가 많지 않을 수 있다.

그래서 발전기의 과부하여부를 kW 하나만으로 판단하면 안 된다.

유도전동기 부하 증가와는 무엇이 다를까?

유도전동기의 슬립을 생각하면 차이가 명확하다.

유도전동기는 기계부하가 증가하면 회전자 속도가 조금 떨어지고 슬립이 증가한다.

슬립이 증가하면서 회전자 유도전류와 토크가 증가하여 새로운 평형점을 찾는다.

반면 계통에 연결된 동기발전기는 정상운전 중 지속적인 슬립을 만들어 전력을 증가시키는 구조가 아니다.

원동기 입력이 증가하면 회전자가 계통에 대해 전력각을 더 크게 형성하고 그 결과 유효전력 전달량이 증가한다.

동기기와 유도기를 구분하는 핵심적인 차이 가운데 하나다.

발전기 부하가 불평형하면 어떻게 될까?

지금까지는 3상 부하가 균형을 이룬다고 가정했다.

하지만 실제 설비에서는 각 상에 연결된 부하가 다를 수 있다.

3상 전류가 불평형해지면 발전기 내부에서도 불평형 자계가 발생한다.

특히 역상분 전류는 회전자 입장에서 빠르게 변화하는 자기장을 만들어 회전자 표면과 댐퍼구조 등에 추가손실과 발열을 발생시킬 수 있다.

따라서 발전기에서는 단순히 전체 전류만 보는 것이 아니라 상간 전류불평형도 중요하다.

갑자기 한 상의 전류만 커졌다면 어떻게 볼까?

정상적인 3상 부하증가라면 보통 세 상의 전류가 비슷한 방향으로 증가한다.

특정 한 상만 크게 증가했다면

부하불평형,

단상부하 증가,

배선이상,

계측오류

등을 확인해야 한다.

전류불평형이 지속되면 발전기 권선과 회전자에 불필요한 열적 부담을 줄 수 있다.

부하증가 시 현장에서 같이 봐야 하는 값

발전기의 부하가 증가할 때는 전류계 하나만 보면 부족하다.

가능하다면 다음 값들을 함께 보는 것이 좋다.

단자전압,

각 상 전류,

주파수,

kW,

kvar,

역률,

계자전류,

원동기 출력 또는 연료·증기·수량 상태,

고정자와 베어링 온도

등이다.

이 값들을 함께 보면

전기부하가 단순히 증가한 것인지,

역률이 나빠진 것인지,

여자계통이 과도하게 보상하고 있는지,

원동기가 부하를 따라가지 못하는지

구분하기 쉬워진다.

독립운전과 계통연계 운전을 반드시 구분해야 한다

발전기 부하를 설명할 때 가장 흔한 혼동 중 하나다.

독립운전에서는 발전기가 연결된 부하 전체에 대해 직접 전압과 주파수를 만들어야 한다.

따라서 부하가 증가하면 속도와 전압이 변하려 하고 Governor와 AVR이 이를 회복한다.

반면 큰 전력계통에 병렬연결된 발전기는 계통전압과 주파수에 동기되어 있다.

이 상태에서는 원동기 입력을 조절하여 유효전력을 변화시키고, 여자전류를 조절하여 무효전력과 역률을 변화시키는 방식으로 운전한다.

같은 동기발전기라도 무엇에 연결되어 있는가에 따라 제어의 의미가 달라진다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 발전기 부하가 증가하면 가장 직접적으로 증가하는 것은 전기자전류다.

하지만 부하역률이 달라지면 같은 kW에서도 전류가 달라질 수 있다.

둘째, 부하가 증가한다고 단자전압이 반드시 떨어지는 것은 아니다.

여자조건과 역률에 따라 변화가 달라지며 진상역률에서는 전압이 상승하는 경우도 있다.

셋째, 독립운전 발전기에서 갑작스러운 부하증가는 회전속도와 주파수를 떨어뜨릴 수 있다.

넷째, 부하가 증가하면 발전기의 전자기적인 반대토크도 증가하므로 원동기가 더 많은 토크를 공급해야 한다.

다섯째, 대형 계통에 연결된 발전기에서는 원동기 출력을 증가시켜도 회전속도가 계속 올라가는 것이 아니다.

전력각이 증가하면서 계통으로 보내는 유효전력이 증가한다.

여섯째, 계통연계 운전에서는 원동기 입력이 주로 유효전력과 연결되고 계자전류는 무효전력과 전압특성에 강하게 연결된다.

일곱째, 발전기 정격은 kW만 보면 안 된다.

역률이 낮으면 같은 kW에서도 더 큰 고정자전류가 흐를 수 있으므로 kVA가 중요하다.

여덟째, 부하전류가 두 배가 되면 고정자 동손은 저항이 일정하다고 할 때 약 네 배가 된다.

아홉째, AVR이 전압을 일정하게 유지하고 있어도 발전기 내부 부담이 그대로인 것은 아니다.

계자전류와 고정자전류를 함께 봐야 한다.

열째, 발전기 부하증가는 전기적인 현상이면서 동시에 원동기의 기계적인 부하증가다.

마무리

동기발전기에 부하가 증가하면 가장 먼저 고정자 전기자전류가 증가한다.

전류가 증가하면 내부임피던스에 의한 전압차와 전기자반작용의 영향이 커지고 고정자 동손도 빠르게 증가한다.

발전기가 더 많은 전기에너지를 내보내는 만큼 회전을 방해하는 전자기토크 역시 증가한다.

따라서 원동기는 더 큰 기계적인 토크와 에너지를 공급해야 한다.

독립운전 발전기에서 원동기 출력이 즉시 따라오지 못하면

회전속도 저하 → 주파수 저하

가 나타날 수 있다.

Governor가 원동기 출력을 증가시켜 주파수를 회복하고 AVR은 계자전류를 조절하여 전압을 유지한다.

반면 대형 전력계통에 연결된 발전기는 계통의 주파수와 전압에 강하게 구속된다.

이 상태에서 원동기 입력을 증가시키면 회전속도가 계속 증가하는 것이 아니라 회전자와 계통 사이의 전력각이 커지면서 계통으로 공급하는 유효전력이 증가한다.

그래서 발전기의 부하변화를 이해할 때는

독립운전인가 계통연계인가

를 먼저 구분해야 한다.

그리고 실제 설비에서는 전류만 보는 것이 아니라

전압, 주파수, kW, kvar, 역률, 계자전류

를 함께 확인해야 발전기의 상태를 제대로 판단할 수 있다.

다음 글에서는 여기서 여자제어를 더 깊게 다뤄 동기발전기의 여자전류를 조절하면 단자전압과 무효전력이 어떻게 달라지는지 살펴본다.