발전기의 원리 및 구조
- 작성일2018/10/18 14:22
- 조회 5,833
1 발전기의 원리
1.1 전자유도현상의 발견
1820 년대 덴마크의 Oersted 는 Volta 전지를 사용하여 전기회로의 특성을 연구 하던 중 우연히 회로 주위에 있던 나침반의 바늘이 스위치를 On / Off 할 때 움직이는 현상에 주목하여 이를 좀더 연구 한 후 학계에 발표하게 되는데 이것이 전자 유도 작용을 밝히게 되는 단서가 되고 이를 바탕으로 전기와 자기가 별도로 존재 하는 것이 아닌 상호 공존관계가 있음을 알아냄 으로서 오늘날 전자유도 작용을 응용한 산업용 전기기기의 이론적 토대를 마련 하게 되었다.
1830 년대 프랑스의 Ampere 는 전류의 자기현상을 체계적으로 연구하여 이를 수학적으로 증명 함으로서 전자기 상호 유도 작용을 수학적으로 표현하는 열쇠를 제공하게 된다.
우리는 이 법칙을 Ampere 의 주회법칙 (Circuital Law) 라 부르며 전류가 흐르는 도선 주위에 발생되는 자기장의 세기를 알아내는 기본식이다.
다음 그림과 같이 직선형태의 도체에 전류를 흘리면 이 전류에 의한 자기장의 방향은 전류방향과 오른손 엄지 손가락을 일치 시키고 주먹을 쥐었을 때 나머지 4 개의 손가락의 방향과 같다는 것이다.
물론 이때의 전압과 전류는 크기와 방향을 갖는 벡터량으로 취급 되어진다.
Ampere 와 동 시대에 영국의 Faraday 전류의 변화가 자기장을 유도 하듯 자기장의 변화가 전류를 유도 할 것이라는 신념을 가지고 연구와 실험에 몰두 하여 전기와 자기사이에 성립하는 전자기의 상호 유도현상을 밝히는 전자 유도법칙 (Electro-Magnetic Induction) 을 정립하였다.
이는 전기물리학의 연구결과 중 가장 획기적인 발견중의 하나로 평가되며 이것으로 인해 전자유도 법칙을 이용하는 모든 전기설비의 탄생을 가능하게 한 이론적 토대를 제공함으로서 지금의 전기 문명 생활을 가능토록 하였다.
요즈음 화두가 되고 있는 발상의 전환을 일찌감치 실천하여 얻어낸 위대한 발견으로 볼 수 있는 것이며 이 유명한 식은 다음과 같이 표현된다.
여기서 Φ 는 자기장의 세기 (자속의 크기 : Magnetic Flux Intensity) 이다.
이식의 물리적인 의미는 시간적으로 변하는 자기장 내부에 놓인 도체에는 기전력이 유기됨을 의미하여 일정한 자지장 내에서 도체가 운동하는 경우에도 역시 기전력이 유기됨을 보여준다.
즉, 도체와 자기장의 상대적인 운동이 기전력을 유기 한다는 것이다.
일정한 자기장 내에서 도체가 운동함 으로서 발생되는 기전력을 발전기 기전력 또는 운동 기전력 (Dynamic Electro - motive Force) 이라 하며 시간적으로 변화하는 자기장 내부에 놓인 정지된 도체에 발생되는 기전력을 변압기 기전력 또는 정지 기전력 (Static Electro - motive Force) 이라 부른다.
Lentz 는 실험을 통해 Faraday 의 식에 에너지 보존법칙을 확장 적용하여 마이너스 (-) 부호를 추가 함으로서 전자유도 현상이 보존장 안에서 이루어 짐을 물리적으로 밝혔다.
이식의 의미는 자기장과 도체간의 상호 운동으로 만들어 지는 유도 기전력의 방향은 자속 변화를 방해 하는 방향으로 전류를 흘릴 수 있도록 한다는 의미이다.
즉 전자유도기전력의 물리적인 성질을 규정하고 있는 식으로 볼 수 있다.
다음 그림은 이런 물리적인 의미를 잘 설명 하고 있다.
또한 우리에게 너무도 익숙한 Fleming 의 법칙들은 Faraday 의 식을 Motor 와 발전기에 알맞도록 적용함 으로서 자속의 운동방향과 기전력의 유기방향 (전류의 방향) 을 오른손 법칙으로 자기장 안에서 전류를 흘리는 도체에 작용하는 힘의 방향을 왼손 법칙으로 확립하여 손쉽게 활용 할 수 있도록 하였다.
Fleming 의 법칙을 간단히 살펴보면 자기장 안에서 운동하는 도체에 발생되는 유기기전력은 오른손 법칙이며 다음과 같다.
또한 자기장 내에서 전류를 흘리는 도체에 작용하는 힘은 왼손법칙을 따르며 다음과 같이 표현된다.
여기서 각 기호의 의미는 다음과 같다.
V & F : 유도기전력의 크기 [V] & 도체에 작용하는 힘 [N]
I : 도체에 흐르는 전류 [A]
B : 도체가 운동하는 공간의 자속 밀도 [㏝/m2]
L : 도체의 유효길이 (자속을 끊고 있는 도체의 길이, 슬롯 안의 도체길이) [m]
v : 도체의 운동속도 [m/s]
1.2 발전기의 발전원리
발전기의 발전원리는 바로 운동유도기전력을 일으키게 하는 원리를 이용하며 Fleming 의 오른손 법칙을 만족한다.
다음 그림은 발전기의 원리를 알기 쉽게 설명하고 있다.
발전기의 가장 핵심적인 역할인 원동기로부터 입력된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하기 위해서는 위 그림과 같이 자기장을 만들고 그 안에서 도체를 운동시키면 되는 매우 간단한 원리 및 구조로 되어 있다.
하지만 이런 간단한 원리를 가장 사용하기 쉽고 다루기 쉬운 기계로 만들어 응용하는 것은 그리 간단한 것은 아닐 것이다.
1.3 유도기전력의 방향 및 토크의 방향
다음과 같이 자기장 안에서 운동하는 도체가 발생하는 유도기전력의 방향에 대하여 알아보자.
위 그림과 같이 자기장안에서 도체가 운동한다면 유도기전력의 방향은 플레밍의 오른손 법칙에 의해 N 극 옆에서는 들어가는 방향, S 극 옆에서는 나오는 방향이 되어 앞의 발전기의 원리도에서 보는 바와 같이 권선으로 폐회로를 만들어 주면 유도기전력의 방향으로 전류가 흐르게 된다.
또한 기계적인 에너지를 받은 도체의 자기장안에서 운동으로 인해 전류가 흐르기 시작하면 이 전류에 의해 운동도체는 토크를 발생하게 되는데 토크의 방향은 플레밍의 왼손법칙을 따르며 회전을 반대하는 방향으로 작용하게 된다.
이는 물리적으로 당연한 결과로서 발전기의 부하가 많이 걸리면 원동기의 회전을 반대하는 방향으로 토크가 증가하게 되고 원동기의 입력을 이에 맞도록 크게 하여주어야 하며 원동기 입력의 한계 이상으로 부하가 증가하면 결국 발전기의 속도가 감소하게 되는 것이다.
이로 인해 주파수가 저하되고 전력의 품질이 급격히 나빠지게 되므로 정해진 우선순위에 의해 부하를 탈락시키게 되는데 이를 Load Shedding 이라 한다.
1.4 유도기전력의 크기
약간 이론적으로 들어가서 유도기전력의 크기를 알아보도록 한다.
이것을 알아보기 위해서는 다음 그림과 같은 단상 발전기의 모델과 플레밍의 오른손법칙을 가지고 시작하면 편리하다.
새로운 변수 FP 는 식에서 알 수 있는 바와 같이 1 극이 만들어 내는 총 자속 수를 의미한다.
이를 파형율과 권선구조를 고려하여 실용적으로 변환하면 다음과 같이 우리에게 아주 익숙한 식이 된다.
여기서 사용된 새로운 기호의 의미는 다음과 같다.
KW : 권선계수 (분포계수 및 단절계수를 고려한 권선의 배치와 관계된 상수)
W : 한 슬롯 안에 삽입된 권선의 Turn 수
이 유도기전력의 식은 발전기를 이해하는데 있어서 물리적으로 그리 중요한 의미를 갖지는 않는다고 생각한다.
따라서 어떻데 유도기전력이 결정되는지 그 과정과 원하는 유도기전력을 얻기 위해서는 이런 계산결과를 바탕으로 계자권선의 Turn 수 및 실제 전기자 권선의 Turn 수가 결정된다는 것을 이해하면 되다고 생각한다.
또한 동일한 전압을 얻기 위해서는 계자권선의 Turn 수를 작게 하면 전기자 권선의 Turn 수가 증가해야 하며 반대로 되었을 경우에도 생각해 보면 어떤 타협점이 찾아질 것이며 모든 고려사항이 반영되어야 할 것이라는 점을 이해해 놓을 필요가 있다.
이러한 사항들이 발전기를 아는데 있어서 모두 기본적인 사항이며 감각적으로 이해하고 있어야 하는 것이기 때문이다.
2 발전기의 구조에 대한 이해
이제는 앞의 원리를 구현 시키기 위한 발전기의 구조에 대하여 알아보도록 한다.
발전을 하기 위해서는 당연히 자기장을 만들어야 하는 자석과 자석에 전기를 공급해 주어야 하는 여자기 및 전기에너지를 발생시켜야 하는 권선. 그리고 기계적인 입력을 공급해 주어야 하는 원동기로 구성되어야 한다는 것을 알 수 있으며 또한 이들을 효과적으로 운용하기 위한 냉각장치 및 고속 회전을 위한 베어링과 베어링의 급유장치가 필요하다는 것은 당연할 것이다.
2.1 발전기의 구성
발전기의 구성개요를 요약하면 다음과 같이 된다.
고정자 (Stator)
철심 (Armature core) 및 권선 (Armature winding)’ 고정자 테 (Frame)
회전자 (Rotor)
철심 (Pole core), 권선 (Field winding), 회전자 요철 (Rotor yoke), 축 (Shaft)
여자기 (Exciter)
베어링 (Bearing) 및 급유장치
통풍 및 냉각장치
이들 각각의 구조 및 형태에 대해서는 다음에 간략하게 요약한다.
2.2 고정자 (Stator)
도체와 자기장의 상호운동에 의해 발생된 전기에너지를 밖으로 내보내는 권선을 내장하고 있는 부분이며 권선과 권선을 슬롯에 내장한 철심 및 철심을 보호하고 발전기의 기계적인 구조를 견고하게 하는 몸체 (Frame) 로 구성된다.
다음 그림은 수차를 원동기로 하는 수력발전기와 같은 요철극형 회전자를 내장하는 저속도 발전기의 고정자이다.
다음 그림은 스팀터빈이나 가스터빈을 원동기로 하는 화력발전기와 같은 원통극형 회전자를 내장하는 고속도 발전기의 고정자이다.
참고로 발전기의 크기에 의해 용량이 결정되게 되는데 다음과 같다.
여기서 각 변수의 의미는 다음과 같다.
K : 발전기의 형태 및 특성에 따른 비례상수
D : 발전기의 회전자 외경 또는 고정자의 내경 [m]
L : 발전기 권선의 유효길이 [m]
N : RPM
즉 발전기의 출력을 크게 하기 위해서는 직경을 크게 하거나 길이를 길게 하거나 또는 속도를 높게 하는 것이다.
그런데 이 세 가지는 전부 상충관계에 있는데 직경을 크게 하면 원심력에 의한 영향 때문에 속도를 키울 수 없고 길이를 길게 하면 진동발생 가능성이 높아지게 되어 역시 속도를 높이기가 어렵게 된다.
따라서 이들을 적절히 조합하여 가장 합리적인 구조를 갖도록 설계된다고 이해하면 된다.
따라서 그림에서 보듯이 저속도형은 고정자가 짧고 직경이 크며 고속도형은 길고 짧게 되는 것을 알 수 있으며 역시 회전자의 경우에도 그렇다.
발전기의 속도를 결정하는 것은 순전히 원동기의 특성인데 이는 다음에서 기술하는 원동기 부분에서 알아보도록 한다.
그리고 참고로 본 자료는 회전계자형을 기준으로 설명하고 있다.
2.3 회전자 (Rotor)
회전자는 간단하게 말하면 고정자의 권선이 전력을 만들어 내도록 자기장을 형성하기 위한 전자석을 만들어 내는 장치이다.
따라서 자극면과 자석을 만드는 여자전류를 흘리기 위한 계자권선으로 구성되어 있으며 역시 고정자와 유사한 구조적인 특성이 있다.
다음은 저속도형으로 사용되는 요철극형 회전자의 외관을 보여준다.
고정자의 경우와 마찬가지로 저속도형이므로 길이가 짧고 직경이 큰 모양을 가지고 있음을 유의하라.
다음은 고속도형으로 사용되는 원통극형 회전자의 외관을 보여준다.
참고로 Turbine 을 원동기로 채택한 발전기는 대부분 3600 [RPM] 을 가지며 경우에 따라서는 1800 [RPM] 도 채용된다고 한다.
2.4 여자기 (Exciter)
회전자의 계자권선에 전기를 공급하기 위한 장치 전체를 총칭하며 계자전류를 만들고 공급하는 방식에 따라 브러시를 갖는 Brush Type 과 브러시를 갖지 않는 Brushless Type 으로 대별된다.
초기에는 대부분 브러시를 갖는 구조 였으나 요즈음은 반도체기술의 눈부신 발전으로 대부분 Brushless Type 이 적용되고 있다고 한다.
다음 그림은 브러시를 채택한 여자방식을 보여준다.
브러시형도 첫 번째 그림과 같이 정류기를 사용하여 별도의 직류전원을 만들어서 공급하는 방식과 두 번째 그림과 같이 별도의 직류발전기를 사용하여 얻은 직류전원을 공급하는 방식으로 나누어 진다.
각각의 장단점에 대해서는 한번 생각해보기 바란다.
다음 그림은 우리에게 아주 익숙한 Brushless Type 이다.
참고로 발전기의 용량에 따른 전형적인 여자기의 용량을 다음 표에 소개한다.
이 표는 전기기기관련 전문서적에서 인용한 것인데 아마도 오래 전에 적용되던 내용으로 생각되며 다만 이렇게 발전기의 용량 및 회전수와 여자기의 용량과는 어떤 일정한 선정 Guide 가 있음을 참고하려고 인용한 것임을 밝힌다.
2.5 베어링 및 급유장치
회전기계에서 베어링의 중요성은 재론의 여지가 없다고 생각하며 베어링의 이상은 곧바로 발전기의 가동정지를 의미하기 때문에 각별한 관리가 필요한 것은 전기적인 사항 못지 않게 중요한 것으로 생각한다.
다만 다분히 기계적인 사항으로서 여기서 논하는 것은 어려우나 참고로 대부분의 발전기에 적용되는 베어링은 슬리브베어링 (또는 원통베어, 배빗베어링) 이라 한다.
2.6 통풍 및 냉각장치
전기기계의 효율과 수명은 냉각효과에 크게 좌우되므로 이 역시 매우 중요한 사항이지만 다분히 설계에 관련된 사항으로서 여기서는 생략한다.
다만 회전자 및 고정장의 구조를 보면 통풍용 Duct 가 있는데 이들 모두가 냉각 및 통풍효과를 좋게 하기 위한 구조이다.
이상과 같이 발전기의 원리 및 구조를 간단히 살펴 보았는데 이를 종합한 실제의 발전기 개념도를 소개한다.
1.1 전자유도현상의 발견
1820 년대 덴마크의 Oersted 는 Volta 전지를 사용하여 전기회로의 특성을 연구 하던 중 우연히 회로 주위에 있던 나침반의 바늘이 스위치를 On / Off 할 때 움직이는 현상에 주목하여 이를 좀더 연구 한 후 학계에 발표하게 되는데 이것이 전자 유도 작용을 밝히게 되는 단서가 되고 이를 바탕으로 전기와 자기가 별도로 존재 하는 것이 아닌 상호 공존관계가 있음을 알아냄 으로서 오늘날 전자유도 작용을 응용한 산업용 전기기기의 이론적 토대를 마련 하게 되었다.
1830 년대 프랑스의 Ampere 는 전류의 자기현상을 체계적으로 연구하여 이를 수학적으로 증명 함으로서 전자기 상호 유도 작용을 수학적으로 표현하는 열쇠를 제공하게 된다.
우리는 이 법칙을 Ampere 의 주회법칙 (Circuital Law) 라 부르며 전류가 흐르는 도선 주위에 발생되는 자기장의 세기를 알아내는 기본식이다.
다음 그림과 같이 직선형태의 도체에 전류를 흘리면 이 전류에 의한 자기장의 방향은 전류방향과 오른손 엄지 손가락을 일치 시키고 주먹을 쥐었을 때 나머지 4 개의 손가락의 방향과 같다는 것이다.
물론 이때의 전압과 전류는 크기와 방향을 갖는 벡터량으로 취급 되어진다.
Ampere 와 동 시대에 영국의 Faraday 전류의 변화가 자기장을 유도 하듯 자기장의 변화가 전류를 유도 할 것이라는 신념을 가지고 연구와 실험에 몰두 하여 전기와 자기사이에 성립하는 전자기의 상호 유도현상을 밝히는 전자 유도법칙 (Electro-Magnetic Induction) 을 정립하였다.
이는 전기물리학의 연구결과 중 가장 획기적인 발견중의 하나로 평가되며 이것으로 인해 전자유도 법칙을 이용하는 모든 전기설비의 탄생을 가능하게 한 이론적 토대를 제공함으로서 지금의 전기 문명 생활을 가능토록 하였다.
요즈음 화두가 되고 있는 발상의 전환을 일찌감치 실천하여 얻어낸 위대한 발견으로 볼 수 있는 것이며 이 유명한 식은 다음과 같이 표현된다.
여기서 Φ 는 자기장의 세기 (자속의 크기 : Magnetic Flux Intensity) 이다.
이식의 물리적인 의미는 시간적으로 변하는 자기장 내부에 놓인 도체에는 기전력이 유기됨을 의미하여 일정한 자지장 내에서 도체가 운동하는 경우에도 역시 기전력이 유기됨을 보여준다.
즉, 도체와 자기장의 상대적인 운동이 기전력을 유기 한다는 것이다.
일정한 자기장 내에서 도체가 운동함 으로서 발생되는 기전력을 발전기 기전력 또는 운동 기전력 (Dynamic Electro - motive Force) 이라 하며 시간적으로 변화하는 자기장 내부에 놓인 정지된 도체에 발생되는 기전력을 변압기 기전력 또는 정지 기전력 (Static Electro - motive Force) 이라 부른다.
Lentz 는 실험을 통해 Faraday 의 식에 에너지 보존법칙을 확장 적용하여 마이너스 (-) 부호를 추가 함으로서 전자유도 현상이 보존장 안에서 이루어 짐을 물리적으로 밝혔다.
이식의 의미는 자기장과 도체간의 상호 운동으로 만들어 지는 유도 기전력의 방향은 자속 변화를 방해 하는 방향으로 전류를 흘릴 수 있도록 한다는 의미이다.
즉 전자유도기전력의 물리적인 성질을 규정하고 있는 식으로 볼 수 있다.
다음 그림은 이런 물리적인 의미를 잘 설명 하고 있다.
또한 우리에게 너무도 익숙한 Fleming 의 법칙들은 Faraday 의 식을 Motor 와 발전기에 알맞도록 적용함 으로서 자속의 운동방향과 기전력의 유기방향 (전류의 방향) 을 오른손 법칙으로 자기장 안에서 전류를 흘리는 도체에 작용하는 힘의 방향을 왼손 법칙으로 확립하여 손쉽게 활용 할 수 있도록 하였다.
Fleming 의 법칙을 간단히 살펴보면 자기장 안에서 운동하는 도체에 발생되는 유기기전력은 오른손 법칙이며 다음과 같다.
또한 자기장 내에서 전류를 흘리는 도체에 작용하는 힘은 왼손법칙을 따르며 다음과 같이 표현된다.
여기서 각 기호의 의미는 다음과 같다.
V & F : 유도기전력의 크기 [V] & 도체에 작용하는 힘 [N]
I : 도체에 흐르는 전류 [A]
B : 도체가 운동하는 공간의 자속 밀도 [㏝/m2]
L : 도체의 유효길이 (자속을 끊고 있는 도체의 길이, 슬롯 안의 도체길이) [m]
v : 도체의 운동속도 [m/s]
1.2 발전기의 발전원리
발전기의 발전원리는 바로 운동유도기전력을 일으키게 하는 원리를 이용하며 Fleming 의 오른손 법칙을 만족한다.
다음 그림은 발전기의 원리를 알기 쉽게 설명하고 있다.
발전기의 가장 핵심적인 역할인 원동기로부터 입력된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하기 위해서는 위 그림과 같이 자기장을 만들고 그 안에서 도체를 운동시키면 되는 매우 간단한 원리 및 구조로 되어 있다.
하지만 이런 간단한 원리를 가장 사용하기 쉽고 다루기 쉬운 기계로 만들어 응용하는 것은 그리 간단한 것은 아닐 것이다.
1.3 유도기전력의 방향 및 토크의 방향
다음과 같이 자기장 안에서 운동하는 도체가 발생하는 유도기전력의 방향에 대하여 알아보자.
위 그림과 같이 자기장안에서 도체가 운동한다면 유도기전력의 방향은 플레밍의 오른손 법칙에 의해 N 극 옆에서는 들어가는 방향, S 극 옆에서는 나오는 방향이 되어 앞의 발전기의 원리도에서 보는 바와 같이 권선으로 폐회로를 만들어 주면 유도기전력의 방향으로 전류가 흐르게 된다.
또한 기계적인 에너지를 받은 도체의 자기장안에서 운동으로 인해 전류가 흐르기 시작하면 이 전류에 의해 운동도체는 토크를 발생하게 되는데 토크의 방향은 플레밍의 왼손법칙을 따르며 회전을 반대하는 방향으로 작용하게 된다.
이는 물리적으로 당연한 결과로서 발전기의 부하가 많이 걸리면 원동기의 회전을 반대하는 방향으로 토크가 증가하게 되고 원동기의 입력을 이에 맞도록 크게 하여주어야 하며 원동기 입력의 한계 이상으로 부하가 증가하면 결국 발전기의 속도가 감소하게 되는 것이다.
이로 인해 주파수가 저하되고 전력의 품질이 급격히 나빠지게 되므로 정해진 우선순위에 의해 부하를 탈락시키게 되는데 이를 Load Shedding 이라 한다.
1.4 유도기전력의 크기
약간 이론적으로 들어가서 유도기전력의 크기를 알아보도록 한다.
이것을 알아보기 위해서는 다음 그림과 같은 단상 발전기의 모델과 플레밍의 오른손법칙을 가지고 시작하면 편리하다.
새로운 변수 FP 는 식에서 알 수 있는 바와 같이 1 극이 만들어 내는 총 자속 수를 의미한다.
이를 파형율과 권선구조를 고려하여 실용적으로 변환하면 다음과 같이 우리에게 아주 익숙한 식이 된다.
여기서 사용된 새로운 기호의 의미는 다음과 같다.KW : 권선계수 (분포계수 및 단절계수를 고려한 권선의 배치와 관계된 상수)
W : 한 슬롯 안에 삽입된 권선의 Turn 수
이 유도기전력의 식은 발전기를 이해하는데 있어서 물리적으로 그리 중요한 의미를 갖지는 않는다고 생각한다.
따라서 어떻데 유도기전력이 결정되는지 그 과정과 원하는 유도기전력을 얻기 위해서는 이런 계산결과를 바탕으로 계자권선의 Turn 수 및 실제 전기자 권선의 Turn 수가 결정된다는 것을 이해하면 되다고 생각한다.
또한 동일한 전압을 얻기 위해서는 계자권선의 Turn 수를 작게 하면 전기자 권선의 Turn 수가 증가해야 하며 반대로 되었을 경우에도 생각해 보면 어떤 타협점이 찾아질 것이며 모든 고려사항이 반영되어야 할 것이라는 점을 이해해 놓을 필요가 있다.
이러한 사항들이 발전기를 아는데 있어서 모두 기본적인 사항이며 감각적으로 이해하고 있어야 하는 것이기 때문이다.
2 발전기의 구조에 대한 이해
이제는 앞의 원리를 구현 시키기 위한 발전기의 구조에 대하여 알아보도록 한다.
발전을 하기 위해서는 당연히 자기장을 만들어야 하는 자석과 자석에 전기를 공급해 주어야 하는 여자기 및 전기에너지를 발생시켜야 하는 권선. 그리고 기계적인 입력을 공급해 주어야 하는 원동기로 구성되어야 한다는 것을 알 수 있으며 또한 이들을 효과적으로 운용하기 위한 냉각장치 및 고속 회전을 위한 베어링과 베어링의 급유장치가 필요하다는 것은 당연할 것이다.
2.1 발전기의 구성
발전기의 구성개요를 요약하면 다음과 같이 된다.
고정자 (Stator)
철심 (Armature core) 및 권선 (Armature winding)’ 고정자 테 (Frame)
회전자 (Rotor)
철심 (Pole core), 권선 (Field winding), 회전자 요철 (Rotor yoke), 축 (Shaft)
여자기 (Exciter)
베어링 (Bearing) 및 급유장치
통풍 및 냉각장치
이들 각각의 구조 및 형태에 대해서는 다음에 간략하게 요약한다.
2.2 고정자 (Stator)
도체와 자기장의 상호운동에 의해 발생된 전기에너지를 밖으로 내보내는 권선을 내장하고 있는 부분이며 권선과 권선을 슬롯에 내장한 철심 및 철심을 보호하고 발전기의 기계적인 구조를 견고하게 하는 몸체 (Frame) 로 구성된다.
다음 그림은 수차를 원동기로 하는 수력발전기와 같은 요철극형 회전자를 내장하는 저속도 발전기의 고정자이다.
다음 그림은 스팀터빈이나 가스터빈을 원동기로 하는 화력발전기와 같은 원통극형 회전자를 내장하는 고속도 발전기의 고정자이다.
참고로 발전기의 크기에 의해 용량이 결정되게 되는데 다음과 같다.
여기서 각 변수의 의미는 다음과 같다.
K : 발전기의 형태 및 특성에 따른 비례상수
D : 발전기의 회전자 외경 또는 고정자의 내경 [m]
L : 발전기 권선의 유효길이 [m]
N : RPM
즉 발전기의 출력을 크게 하기 위해서는 직경을 크게 하거나 길이를 길게 하거나 또는 속도를 높게 하는 것이다.
그런데 이 세 가지는 전부 상충관계에 있는데 직경을 크게 하면 원심력에 의한 영향 때문에 속도를 키울 수 없고 길이를 길게 하면 진동발생 가능성이 높아지게 되어 역시 속도를 높이기가 어렵게 된다.
따라서 이들을 적절히 조합하여 가장 합리적인 구조를 갖도록 설계된다고 이해하면 된다.
따라서 그림에서 보듯이 저속도형은 고정자가 짧고 직경이 크며 고속도형은 길고 짧게 되는 것을 알 수 있으며 역시 회전자의 경우에도 그렇다.
발전기의 속도를 결정하는 것은 순전히 원동기의 특성인데 이는 다음에서 기술하는 원동기 부분에서 알아보도록 한다.
그리고 참고로 본 자료는 회전계자형을 기준으로 설명하고 있다.
2.3 회전자 (Rotor)
회전자는 간단하게 말하면 고정자의 권선이 전력을 만들어 내도록 자기장을 형성하기 위한 전자석을 만들어 내는 장치이다.
따라서 자극면과 자석을 만드는 여자전류를 흘리기 위한 계자권선으로 구성되어 있으며 역시 고정자와 유사한 구조적인 특성이 있다.
다음은 저속도형으로 사용되는 요철극형 회전자의 외관을 보여준다.
고정자의 경우와 마찬가지로 저속도형이므로 길이가 짧고 직경이 큰 모양을 가지고 있음을 유의하라.
다음은 고속도형으로 사용되는 원통극형 회전자의 외관을 보여준다.
참고로 Turbine 을 원동기로 채택한 발전기는 대부분 3600 [RPM] 을 가지며 경우에 따라서는 1800 [RPM] 도 채용된다고 한다.
2.4 여자기 (Exciter)
회전자의 계자권선에 전기를 공급하기 위한 장치 전체를 총칭하며 계자전류를 만들고 공급하는 방식에 따라 브러시를 갖는 Brush Type 과 브러시를 갖지 않는 Brushless Type 으로 대별된다.
초기에는 대부분 브러시를 갖는 구조 였으나 요즈음은 반도체기술의 눈부신 발전으로 대부분 Brushless Type 이 적용되고 있다고 한다.
다음 그림은 브러시를 채택한 여자방식을 보여준다.
브러시형도 첫 번째 그림과 같이 정류기를 사용하여 별도의 직류전원을 만들어서 공급하는 방식과 두 번째 그림과 같이 별도의 직류발전기를 사용하여 얻은 직류전원을 공급하는 방식으로 나누어 진다.
각각의 장단점에 대해서는 한번 생각해보기 바란다.
다음 그림은 우리에게 아주 익숙한 Brushless Type 이다.
참고로 발전기의 용량에 따른 전형적인 여자기의 용량을 다음 표에 소개한다.
| 발전기 용량 [KVA] | RPM | 여자기 용량(KW) |
| 100 | 1000, 600, 300, 150 | 2, 2.5, 3, 4 |
| 500 | 1000, 600, 300, 150 | 6, 7.5, 9, 12 |
| 1,000 | 600, 300, 150 | 12, 15, 18 |
| 5,000 | 600, 300, 150 | 34, 45, 65 |
| 10,000 | 600, 300, 150 | 55, 70, 85 |
| 20,000 | 600, 300, 150 | 90, 110, 140 |
이 표는 전기기기관련 전문서적에서 인용한 것인데 아마도 오래 전에 적용되던 내용으로 생각되며 다만 이렇게 발전기의 용량 및 회전수와 여자기의 용량과는 어떤 일정한 선정 Guide 가 있음을 참고하려고 인용한 것임을 밝힌다.
2.5 베어링 및 급유장치
회전기계에서 베어링의 중요성은 재론의 여지가 없다고 생각하며 베어링의 이상은 곧바로 발전기의 가동정지를 의미하기 때문에 각별한 관리가 필요한 것은 전기적인 사항 못지 않게 중요한 것으로 생각한다.
다만 다분히 기계적인 사항으로서 여기서 논하는 것은 어려우나 참고로 대부분의 발전기에 적용되는 베어링은 슬리브베어링 (또는 원통베어, 배빗베어링) 이라 한다.
2.6 통풍 및 냉각장치
전기기계의 효율과 수명은 냉각효과에 크게 좌우되므로 이 역시 매우 중요한 사항이지만 다분히 설계에 관련된 사항으로서 여기서는 생략한다.
다만 회전자 및 고정장의 구조를 보면 통풍용 Duct 가 있는데 이들 모두가 냉각 및 통풍효과를 좋게 하기 위한 구조이다.
이상과 같이 발전기의 원리 및 구조를 간단히 살펴 보았는데 이를 종합한 실제의 발전기 개념도를 소개한다.
