동기 발전기란? 작동 원리, 구조, 특징

 

회전 전기자형 vs 회전 계자형 (출처: 김기사의 쉬운 전기 네이버 블로그)

 

동기 발전기(Synchronous Generator)란?

동기 발전기는 회전자의 회전 속도와 발전기의 출력 주파수가 동기화되는 발전기입니다. 즉, 회전자(Rotor)의 속도가 고정된 주파수(예: 50Hz 또는 60Hz)와 일정하게 유지되는 특징이 있습니다. 동기 발전기는 주로 발전소에서 전력을 생산하는 데 사용되며, 교류(AC) 전력을 공급하는 주요 장치입니다.

---

1. 동기 발전기의 기본 원리

동기 발전기는 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 전력을 생산합니다. 기본 원리는 다음과 같습니다.

1. 자기장 형성
   • 회전자(Rotor)에 직류(DC) 전류를 공급하면 고정된 자기장이 형성됩니다.
2. 전자기 유도에 의한 전압 발생
   • 회전자가 회전하면 고정자(Stator) 내부의 코일을 자속이 교대로 지나면서 전자기 유도가 발생합니다.
   • 이로 인해 정현파 형태의 교류 전압이 유도됩니다.
3. 주파수와 동기 속도 관계
   동기 발전기의 회전 속도(Ns)와 전원 주파수(f)는 다음 공식으로 표현됩니다. 

• Ns = 동기 속도 (rpm)
• f = 전원 주파수 (Hz)
• P = 극수 (Pole 수)

예를 들어, 4극 발전기가 60Hz로 작동할 경우:

즉, 회전자는 항상 1800rpm으로 회전해야 합니다.

---

2. 동기 발전기의 구조

(1) 고정자(Stator)

• 발전기에서 교류 전압을 생성하는 부분
• 코일(권선)이 감겨 있으며, 삼상 교류 전압이 생성됨
• 강철로 만든 적층 코어로 되어 있어 와전류 손실을 최소화

(2) 회전자(Rotor)

• 자속을 생성하는 부분으로, 직류 전류가 공급됨
• 두 가지 형태가 있음:
  1. 돌극형(Round Rotor)
     • 원통형 회전자
     • 고속 회전용 (3000rpm, 1500rpm)
     • 주로 대형 발전소에서 사용됨
  2. 돌극형(Salient Pole Rotor)
     • 돌출된 극을 가진 회전자
     • 저속 회전용 (600rpm, 180rpm)
     • 수력 발전기에 주로 사용됨

(3) 여자 시스템(Excitation System)

• 회전자에 DC 전류를 공급하여 자기장을 형성하는 장치
• 자기여자(Self-Excited) 또는 별도 여자(Separately Excited) 방식이 있음

---

동기 발전기 내부 구조 (출처: 김기사의 쉬운 전기 네이버 블로그)

3. 동기 발전기의 특징

(1) 전압과 역률 조절

• 여자 전류(Excitation Current)를 조절하여 출력 전압을 제어 가능
• 부하의 역률(Power Factor, PF) 보정 역할 수행 가능

(2) 전력 계통에서의 역할

• 주로 대형 발전소에서 사용됨
• 부하 변동이 적고 안정적인 운전 가능

(3) 병렬 운전 가능

• 여러 개의 동기 발전기를 병렬 운전하여 대형 전력망에 공급할 수 있음
• 병렬 운전 시 다음 조건을 맞춰야 함:
  1. 전압 크기 동일
  2. 주파수 동일
  3. 위상각 동일
  4. 파형 동일

---

4. 동기 발전기의 효율 및 손실

동기 발전기의 손실은 크게 다음과 같습니다.

(1) 철손(Iron Loss)

• 히스테리시스 손실 및 와전류 손실 포함
• 강자성체 내부에서 자속 변화로 인해 발생

(2) 동손(Copper Loss)

• 고정자 및 회전자 권선의 저항으로 인해 발생하는 손실

(3) 기계적 손실(Mechanical Loss)

• 베어링 마찰 및 공기 저항에 의해 발생

(4) 여자 손실(Excitation Loss)

• 여자 시스템에서 소비되는 전력

이러한 손실을 최소화하면 동기 발전기의 효율을 높일 수 있습니다.

---

5. 동기 발전기의 응용 분야

동기 발전기는 다양한 분야에서 사용됩니다.

1. 발전소
   • 수력, 화력, 원자력 발전소에서 전력 생산용으로 사용
2. 산업용 전력 시스템
   • 대형 공장, 철강, 석유화학 플랜트 등
3. 해양 및 항공 분야
   • 선박 및 항공기의 전력 공급
4. 무정전 전원 공급장치(UPS)
   • 데이터 센터 및 병원에서 예비 전력 공급

https://youtu.be/tiKH48EMgKE?si=LQ-kR22pWnDE8s0l

동기 발전기 Synchronous Generator

 

 

---

6. 동기 발전기와 유도 발전기의 차이점

구분, 동기 발전기, 유도 발전기

속도	동기 속도에서 작동	동기 속도보다 약간 빠름
자기장 공급	외부 여자 전원 필요	외부 여자 없이도 작동 가능
효율	높음	상대적으로 낮음
주 사용처	대형 발전소	풍력, 소형 발전 시스템

---

7. 동기 발전기의 장점과 단점

✅ 장점

• 높은 효율과 안정적인 전압 공급
• 역률 조정 가능하여 전력 계통에 도움
• 병렬 운전이 가능하여 대형 전력망에 적합

❌ 단점

• 여자 장치가 필요하여 추가적인 전력 소모
• 기동이 어려워 별도의 기동 장치 필요
• 부하 변동에 따른 속도 조절이 어려움

---

8. 결론

동기 발전기는 교류 전력을 생산하는 핵심 장치로, 주로 발전소에서 사용됩니다. 일정한 주파수와 전압을 유지할 수 있어 전력망의 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 효율적인 전력 생산을 위해 여자 전류 조절, 병렬 운전 등의 운전 기술이 필요합니다.