[전기공학] 전기기기(4) - 직류발전기, 분권 발전기의 운전 특성

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[전기공학] 전기기기(3) - 직류발전기, 타여자 발전기의 운전 특성

 

직류발전기 중에서 타여자 발전기에 대해서 알아보았다. 이번에는 자여자 발전기에 대해 알아보도록 하자. 자여자 발전기는 별도 전원 없이 스스로 계자권선을 여자시켜서 자기력선속을 발생시키는 발전기를 말한다. 계자의 전기적인 연결방식에 따라 분권발전기, 복권발전기, 직권발전기로 구분된다.

 

이번 글에서는 자여자 발전기 중 분권발전기의 특성에 대해 살펴보자.

 

 

1. 분권발전기(Shunt generator)

 

분권 발전기는 계자권선(F)과 전기자(A)가 병렬로 연결되어 있는 직류발전기다. 

 

분권 발전기 단선도

 

단선도를 살펴보면 계자(F)와 전기자(A)가 병렬로 접속되어 있고, 계자(F)는 계자저항(R_f)가 직렬로 연결되어 있다. 발전기가 회전하면서 전기자에 유도기전력이 발생하면 출력의 일부가 계자로 들어가고 나머지는 부하로 공급되는 구조다.

 

 

2. 분권 발전기의 무부하 운전 특성

 

무부하 시와 부하 시의 운전 특성을 살펴보자.

 

무부하 상태에서는 본래 계자에서 자기력선속이 발생하지 않는다. 하지만 자기 히스테리시스 현상으로 인해 잔류자기가 남아있어 발전기가 회전하면 정격전압의 약 5% 정도의 기전력이 발생하게 된다. (무부하 특성곡선에서의 O' 점)

 

무부하 특성 곡선

 

그렇게 발생한 약간의 기전력이 발생하면 계자에 전류가 흐르기 시작하고, 이 계자전류가 자기력선속을 증가시키고, 전기자의 유도기전력 또한 증가한다. 이런 일련의 양의 피드백 과정이 계속 반복되면 곡선 O'-M과 같이 유도기전력이 자기포화상태에 이를 때까지 증가한다. 이 과정을 전압의 확립이라고 부른다.

 

그러면 유도기전력은 계자저항선(N1)과 무부하곡선(O'-M)이 만나는 점 m에서 전압이 유지되고, 이때의 기전력(Eo)를 자여자에 의한 무부하 전압이라고 한다.

 

계자저항선은 계자저항의 전압강하( V_f = I_f * R_f ) 에서 계자저항 R_f가 일정하면 옴의 법칙에 따라 V_f 와 I_f가 비례하므로 생기는 직선이다. 계자저항선에서 아래 식이 성립한다.

 

계자저항선 식

 

 

아래 그래프도 마찬가지로 무부하 특성 곡선이다. 계자저항(R_f)을 변화시켰을 때의 계자저항선이 각각 N, N1, N2, N3이다. 계자저항선 식에서 알아보았듯이 계자저항 값이 바뀌면 계자저항선의 각도가 바뀐다.

 

무부하 특성 곡선2

 

4개의 계자저항선(N, N1, N2, N3)을 살펴보면, 무부하곡선 O'-M 과 만나는 점이 2개가 되는 선(N3)이 있다. 이처럼 계자저항을 증가시키다보면 어떤 값 이상에서 무부하곡선과 접점이 2개 이상이 되어 전압의 확립이 일어나지 않게 된다. 그 한계값을 임계저항이라고 한다. 계자저항을 임계저항보다 커지면 단자전압이 작아져서 여자작용이 되지 않는다.

 

따라서, 분권발전기에서 계자저항은 임계저항보다 충분히 작아야 안정적인 운전이 가능해진다. 또한 실제 무부하 상태에서 운전을 하게 되면 특성 곡선의 방향대로 계자전류가 계속 증가하여 계자권선이 손상될 우려가 있다.

 

 

3. 분권발전기의 부하 특성 곡선

 

분권 발전기 단선도

 

분권발전기에 부하가 연결되었을 떄의 운전 특성을 살펴보자. 부하가 연결된 상태에서의 전류 관계식은 아래와 같다.

 

전기자 전류 관계식

 

위 식에서 부하저항 R을 감소시키면 부하전류 I가 증가하여 전압강하가 증가하고 단자전압은 감소하게 된다. 만약 부하저항 R을 계속 감소시키면 부하전류 I가 계속 증가하고 계자전류 I_f는 줄어들어서 단자전압이 갑자기 떨어지게 된다. (아래 그래프의 곡선 N-S)

 

부하를 너무 크게 증가시킬 경우(부하저항 R을 너무 낮게 할 경우) 안정적인 전압 유지가 불가능해진다.

 

분권 발전기의 외부 특성 곡선 

 

여러가지 운전 조건이 까다롭지만 분권발전기는 수하특성이라는 강점을 가지고 있다. 대부분의 발전기는 부하가 커지면 전류도 상승하여 발전 출력 자체가 커지는 경향이 있다. 하지만 분권발전기는 부하전류가 커지면 전압이 낮아져서 전류값을 유지시키는 정전류 특성을 가지고 있다.

 

예를 들어, 부하가 증가하면(R이 감소) 부하전류가 증가한다(I가 증가). 전압강하가 증가하여 단자전압이 떨어지고(V가 감소), 병렬로 연결된 계자의 전류도 감소(I_f 감소)하여 자속이 감소한다.(φ가 감소) 그러면 유도기전력도 감소하여(E가 감소) 다시 부하전류가 감소하게 된다.(I가 감소)

 

즉, 부하저항이 감소했음에도 부하전류는 일정하게 유지가 된다. 이런 수하특성을 활용하여 직류전류원이나 축전지 충전용 전원 등으로 활용된다.