동기발전기특성

kimswed 2010.07.14 07:35 조회 수 : 12664 추천:1447

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동기발전기의 특성


1. 무부하 포화곡선 및 단락곡선


1) 무부하 포화곡선

 E=4.44fNok(V)에서 발전기가 정격속도에서 무부하로 운전하고 있는 경우 유기기전력은 자속 Φ에 비례한다. 그러나 무부하의 경우 자속은 계자기자력에 의해서만 정해지므로 무부하유기기전력과 계자기자력(계자전류)과의 관계곡선을 얻을 수 있다. 이것을 무부하 포화곡선(No Load Saturation) 이라고 한다.


이 곡선은 전압이 낮은 부분에서는 유기기전력이 계자전류에 정비례하여 증가하지만, 전압이 높아짐에 따라 철심의 포화로 인하여 자기저항이 증가하여 일정기전력을 유기하는데 계자전류가 보다 더 많이 필요하기 때문에 그림 OQ와 같은 포화곡선이 된다. 이 그림에서 OP는 무부하포화곡선의 직선부를 연장한 직선이며, 이것을 공극선(air gap line)이라고 한다. 그림에서 점 A가 정격전압에 상당하는 점이 될 때 (시그마) o= ab/Aa 를 포화율(Satruation factor)이라 하고 이것으로 포화의 정도를 표시한다.


2) 단락곡선

기기가 단자를 단락하고 정격속도로 운전하고 있는 경우 단락전류와 계자전류와의 관계를 표시하는 곡선이 단락곡선(Short circuit curve)이며 그림의 OR과 같은 직선이 된다.


2.  단락비(short circuit ratio)

동기발전기의 특성에 있어서 단락비의 특성은 중요하며, 무부하포화곡선과 단락곡선의 특성을 이용하여 산정하게 된다.

그림에서 정격속도에서 무부하정격전압 Vn을 유기하는데 필요한 계자전류를 Ifo라고 하고 3상 단락정격전류  In을 흐르게 하는 계자전류를  Ifs 하면

발전기의 단락비는 k= Ifo/Ifs = Oe/Oc 가 된다.

단락비= 무부하포화곡선에서 구한 정격전압에 대한 계자전류

       단락곡선에서 구한 정격전류에 대한 계자전류


1) 단락비와 동기임피던스의 관계

동기임피던스는 전기자단자에서 본 등가리액턴스와 전기자권선의 실효저항의 Vector합이나, 전기자저항은 무시할 정도로 작다.


 동기임피던스 Zs=V /root3 I(ohm) 

  백분율동기임피던스 %Zs= 동기임피던스강하 / 동기전압(1상) = InZs/(V/root3) = 1/K x 100% 

(무부하정격전압 V'n을 유기하는데 필요한 계자전류를 공극선에서 구하면?‘1 가 된다. 여기서 ?1/?2를 불포화단락비(unsaturated short circuit ratio)라 하며, 전자의 Ifo/Ifs로 표시된 단락비를 포화단락비(saturated short circuit ratio)라 한다.)


2) 단락비의 특성

(1) 단락비란 정격속도에서 무부하 정격전압을 발생하는데 필요한 여자전류와 삼상 단락 시 정격전류도 동등한 지속 단락전류를 흘리는데 필요한 여자전류와의 비를 말한다.

(2) 단락시의 특성 나타내는 외에 기계의 크기, 중량, 가격, 손실, 여자방식의 선정, 부하변동시의 전압 및 안정도의 정도를 아는데 쓰인다.

(3) 발전기의 단락비는 점차 낮아지는 경향이 있는데 이는 발전기 중량의 경감에 의한 경제적면과 단락비 감소에 의한 안정도에의 영향은 보호계전기 등의 고속화, 여자속응도의 개량에 관한 신기술에 의해 해결되고 있기 때문이다.

(4) 단락비가 낮아지면 충 중량은 작아지지만 반면 Ampere도체수가 증가, 고정자철심 단부의 누설자속 증가가 문제된다.

그러나 자속 Shunt(HS)를 취부한 경우에 그 값이 낮아진다. 즉 단락비가 작으면 단부누설자속의 Level이 올라가기 때문에 Shield 판 손실저감에 큰 효과가 있고 신뢰성이 높은 발전기를 설계, 제작할 수가 있다.

(5) 대용량기의 경우 종래에는 0.58이 많이 채용되었으나 근래에는 0.5 또는 그이하인 것도 채용된다.


3) 단락비가 작은 경우에는

(1) 공극이 작다.

(2) 동기 임피던스가 크고 전기자 반작용이 크다

(전기자반작용: 발전기에 부하가 걸려서 전기자전류에 의한 기자력이 주자속이 만드는 공극의 자속 분포에 변화를 주는 현상)

(3) 계자의 기전력이 전기자기전력보다 작다.

   전기자기자력의 영향이 단자전압유기에 미치는 영향이 커서 자기여자가 일어나기 쉬우며 전압변동률이 커진다.

(4) %동기임피선스가 커서 발전기내량이 감소하고 전기가 권수가 증가하므로 동기계라 한다.

특성

비교

내용

안정도

떨어진다.

단락비가 작은 경우에는 동기 임피던스는 커지고 계통의 안정도는 떨어진다. P=EV x (0/X) sin0 

전압변동율

크다. 

동기 임피던스가 커지며 이에 따라 전압 변동률은 커진다

무효전력

고정자 단부의 과열로 출력이 제한됨

전기자 반작용이크고 역율이 95%를 넘는 진상영역에서 고정자단부의 과열로 진상무효출력의 제한을 받는다. 

역율 

진역율이 된다.

전기자반작용이 커지면 증자작용을 하므로 전기자권선에 흐르는 부하전류가 계자에 의한 기전력보다 90o 앞선 진역율이 된다.

선로충전용량

크다

발전기가 송전선로를 충전하는 경우 자기 여자 현상을 보상하려면 단락비가 커야 한다.

과부하내량

작다

단락비가 작은 경우에는 공극이 작고 계자의 기전력이 전기자의 기전력에 대하여 작아 동기계라 하며, 과부하 내량이 작아져서 기계에 여유가 없다



3) 단락비가 큰 경우

(1) 동기임피던스가 작아 전기자 반작용이 작으며, 전압변동율이 작다.

(2) 발전기내량이 크며 계자기자력이 커서 전기자기자력의 영향을 작게 받으므로 공극이 커도된다.

(3) 게자기자력이 커야하므로 계자철심과 동량이 커지므로 발전기의 중량 및 부피가 커지고 가격이 상승한다.

(4) 계자부분이 커지므로 철기계라 한다.


4) 단락비의 선정시 고려사항

동기발전기의 출력은 동기리액턴스 Xs에 반비례하므로 리액턴스가 작을 수록 출력이 커져 정태안정도가 커진다. 실제 계통에 있어 단락비는 터빈발전기 0.5~0.7, 수차발전기 0.8~1.2 정도이다. 선로 충젼용량을 크게 할 경우 단락비를 1.5~1.8 정도로 한것도 있다.


2. 역율

1) 전기자 반작용은 부하의 역률에 따라서 그 작용이 다르게 되며 전기자 반작용이 커지면 증자 작용을 하므로 전기자 권선에 흐르는 부하 전류가 계자에 의한 기전력보다 90o 앞선 진역률이 되며, 자기여자가 일어나기 쉬우며 전압변동율이 커진다.

2) 발전기의 정격역율은 발전기 설계상 중요한 사항의 하나로서 그 값은 점차 증가하고 있다. 이는 무효전력의 공급필요량, 설계상의 제 문제와 Cost면으로부터 여러 가지 검토에 의해 선정된다.

3) 정격역율이 높으면 전압 Vector 와 전류 Vector의 합성은 켜지고, 정격부하에서의 계자 Amprer Turn이 감소하다. 이 때문에 최적 설계를 하는 경우 전기장하가 큰 동기계가 되어 축소화가 가능하다.


3. 과부하 내량

1) 단락비가 작은 경우에는 공극이 작고 계자의 기전력이 전기자의 기전력에 대하여 작아 동기계라 하며 과부하 내량이 작아져서 기계에 여유가 없다.

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