동기발전기(Synchronous Generator)의 여자방식

동기발전기(Synchronous Generator)의 여자방식

 

 

1. 직류발전기(DC Generator)

회전하는 코일에서 유도된 교류 전압을 정류자(Commutator) 를 통해 직류 전압으로 변환하여 출력하는 발전기.

회전하는 도체에서 유도된 교류 전압이 정류장치(정류자+브러시)에 의해 직류 형태로 바뀜.

 

 

1) 구성 요소 특징

구 성	특 징
정류자(Commutator)	기계적 스위치 역할, 교류→직류 변환
브러시	정류자와 외부 회로를 연결
계자(자석)	전자석 또는 영구자석
회전자(Armature)	회전하는 코일

 

2) 장,단점

장 점	단 점
직류 전압을 직접 얻을 수 있음	정류자와 브러시 마모 → 유지보수 필요
속도 제어 용이	고속, 대용량 제작 어려움 (스파크 및 손실 문제)

 

3) 용도

· 전기철도 초기 시스템(현재는 대부분 교류로 전환)

· 군용/특수 장비

· 배터리 충전용 발전기 옛 방식

 

현재는 정류자 방식 DC 발전기보다 AC 발전기 + 정류기(다이오드) 사용이 일반적입니다. 직류발전기는 정류자로 DC 생산, 유지보수 많고 현재는 거의 사용되지 않습니다.

 

 

2. 동기발전기(Synchronous Generator)

반응형

전력계통에 주파수와 위상을 맞춰 일정한 주파수의 교류전압(AC)을 생산하는 발전기.

회전자 자극이 고정자 코일을 지나며 교류전압 유도.

회전 속도는 주파수와 동기 속도로 고정됨.

 

※ 동기속도 : 극수와 주파수에 의해 만들어지는 동기기의 일정한 회전속도

· f : 주파수(Hz)

· P : 극수

 

1) 구성 요소 특징

구 성	특 징
회전자(Rotor)	DC 여부가 아닌 여자전류로 자극 형성
고정자(Stator)	3상 권선, 주 출력부
슬립링 + 브러시	여자전류 공급용 (일부는 브러시리스 방식)

 

2) 장,단점

장 점	단 점
대용량 발전에 적합	구조 복잡
일정 주파수 유지 가능 (전력계통 연결)	외부 여자전류 공급 필요
효율 높고 수명 김	운전 및 제어 시스템 필요

 

3) 용도

· 발전소(수력, 화력, 원자력)

· 대형 비상발전기

· 산업용 발전 시스템

 

동기발전기는 전력계통의 핵심 발전기, 안정된 AC 발전을 제공합니다.

 

 

3. 동기발전기의 여자방식

동기발전기의 여자방식(자계를 만드는 방식)은 Brush 방식과 Brushless 방식으로 나뉘며, 발전기 고정자에 교류를 유도하기 위해 회전자(로터)에 DC 전류(여자전류)를 넣는 방법의 차이입니다.

1) Brush 방식(슬립링 방식)

1-1) 구조

· 슬립링(Slip Ring)과 브러시(Brush)를 통해 외부 여자장치에서 공급된 DC 전류를 회전자에 전달

· 구성 요소 : 브러시(탄소), 슬립링(금속 링), 외부 여자기(Exciter)

 

1-2) 동작 원리

· 외부 여자장치에서 직류 공급

· 브러시 → 슬립링을 통해 회전하는 로터 권선으로 DC 전달

· 로터가 자계를 형성 → 고정자에서 교류 유도

 

1-3) 장,단점

장 점	단 점
구조 단순	브러시 마모 → 정기적 교체 필요
제어 회로 구성 쉬움	고속·대용량에서 스파크 발생 위험
초기 중·소형 발전기에서 널리 사용	유지보수 비용 증가, 오염(탄소 분진)

 

1-4) 주요 사용처

· 옛 방식 발전기

· 소형 비상발전기 일부

 

2) Brushless 방식

2-1) 구조

· 브러시와 슬립링이 없음

· 회전형 정류기(Rotating Rectifier) + 소형 교류 발전기(Exciter Alternator) 사용

 

2-2) 동작 원리

· 고정자(Exciter Field)에 DC 공급

· 회전하는 Exciter Rotor에서 AC 전압 발생

· 회전 다이오드(정류기)로 AC → DC 변환

· 변환된 DC가 메인 발전기 로터를 여자

· 메인 고정자 측에서 AC 출력

 

2-3) 장,단점

장 점	단 점
브러시가 없어 마모 없음 → 유지보수 거의 필요 없음	구조 복잡
스파크 없음 → 안전·신뢰성 매우 높음	초기 설치·제작 비용 높음
대형 발전기에서 필수적	고장 시 수리 난이도 ↑

 

2-4) 주요 사용처

· 발전소용 대형 동기발전기

· 항공기 발전 시스템

· 최신 산업용 발전기