1. 동기발전기란?
동기발전기는 전력 시스템에서 일정한 주파수와 전압을 유지하며 전력을 공급하는 중요한 장치입니다.
회전자(Rotor)와 고정자(Stator)로 구성되며, 발전 방식에 따라 회전계자형(Rotating Field Type)과 회전자속형(Rotating Armature Type)으로 나뉩니다.
현대 전력 시스템에서는 대부분 회전계자형 동기발전기를 사용합니다. 그 이유와 장점을 자세히 알아보겠습니다.
2. 회전계자형 동기발전기의 원리
회전계자형 동기발전기는 고정자(Stator)에 교류 전력을 유도하고,
회전자(Rotor)에 직류 전류를 공급하여 자기장을 형성하는 방식으로 동작합니다.
- 회전자(Rotor): 직류 전류(계자전류)를 공급하여 회전하는 자기장을 생성
- 고정자(Stator): 자기장과의 상호작용을 통해 교류 전력을 유도
이 방식은 기존의 회전자속형(Armature Type) 방식보다 다양한 이점을 제공합니다.
3. 회전계자형 동기발전기 사용 이유
(1) 대용량 발전에 적합
- 발전 용량이 커질수록 고전류를 처리해야 하는데, 회전계자형은 고정자에 고전압 교류를 유도하므로 발전기 출력 전력을 높일 수 있음.
- 회전자에는 직류 전류만 흐르므로 전류 용량이 작아져 효율적인 설계가 가능함.
(2) 전력 전송 손실 감소
- 회전자속형 발전기는 고전류 교류를 전달해야 하므로 브러시와 슬립링의 손실이 큼.
- 반면, 회전계자형 발전기는 직류 전류만 전달하므로 슬립링과 브러시의 손실이 최소화됨.
- 따라서 유지보수가 쉬우며, 수명이 길어짐.
(3) 전압 및 주파수 조절 용이
- 회전자에 공급하는 계자전류를 조절하면 발전기 출력 전압을 쉽게 조절 가능.
- 이는 발전소 및 전력망에서 전압 안정성 유지에 중요한 역할을 함.
- 회전자속형은 이러한 조정이 어렵고, 별도의 복잡한 제어 시스템이 필요함.
(4) 절연 문제 해결
- 회전계자형은 고정자에서 교류를 유도하므로, 고정자의 절연 설계가 상대적으로 쉽고 경제적임.
- 반면, 회전자속형은 회전자에서 고전압 교류가 발생하여 절연 설계가 어려워지고 비용이 증가함.
(5) 병렬 운전 및 계통 연계 용이
- 회전계자형 발전기는 전력 시스템과 병렬 운전이 쉬우며, 전력 계통과 안정적인 연계가 가능.
- 이는 대규모 발전소 및 송전망 운영에서 중요한 요소임.
(6) 유지보수 비용 절감
- 직류 계자전류는 전력 손실이 적고, 브러시 및 슬립링의 마모가 줄어들어 유지보수가 용이함.
- 따라서 발전기 운용 비용이 절감됨.
4. 회전계자형과 회전자속형 비교
| 구분 | 회전 계자형 | 회전 자속형 |
| 전압 발생 위치 | 고정자 | 회전자 |
| 전류 종류 | 회전자:직류(DC) 고정자:교류(AC) | 회전자: 교류(AC) 고정자:직류(DC) |
| 발전 용량 | 대용량 발전기 사용가능 | 소규모 발전기 사용 |
| 절연 문제 | 절연설계 용이 | 절연설계 어려움 |
5. 결론
회전계자형 동기발전기는 대용량 발전, 전압 조절 용이성, 유지보수 비용 절감 등의 장점으로 현대 전력 시스템에서 널리 사용됩니다.
특히, 송배전 계통과의 연계 및 전력 안정성 유지 측면에서 필수적인 요소입니다.
따라서 대형 발전소, 산업용 발전기, 수력 및 화력 발전소에서 회전계자형 방식을 주로 채택하고 있습니다.