동기발전기 — 회전이 전기가 되는 곳

계통에 들어오는 전기는 거의 전부 동기발전기에서 나옵니다. 원동기가 회전자를 돌리고, 회전자의 자속이 고정자 권선을 지나가며 3상 기전력을 만듭니다. 구조는 단순한데, 계통 전체의 주파수와 전압이 이 기계의 두 가지 조작에 달려 있습니다.

속도가 곧 주파수다

동기기는 이름 그대로 반드시 동기속도로만 돌아야 합니다. 그렇지 않으면 유기되는 기전력의 주파수가 계통과 달라져 동기를 유지할 수 없습니다.

60 Hz에서 2극이면 3600 rpm, 4극이면 1800 rpm입니다. 화력·원자력의 증기터빈은 고속이라 2극이나 4극을 쓰고, 수차는 저속이라 극수를 수십 개까지 늘립니다. 극수를 바꿔 가며 동기속도가 어떻게 달라지는지 확인해 보세요.

부하각 — 얼마나 앞서 끌고 가는가

발전기에 출력을 걸면 회전자의 자속 축이 고정자 회전자계보다 조금 앞서서 끌고 가게 됩니다. 이 각도가 부하각 δ이고, 출력은 이 각도의 사인에 비례합니다.

출력을 늘리면 각도가 벌어지고, δ = 90°에서 최대 출력에 도달합니다. 시뮬레이션에서 두 화살표가 벌어지는 모습이 바로 이것입니다. 90°를 넘어가면 각도가 커질수록 출력이 오히려 줄어들어, 남는 에너지가 계속 회전자를 가속시켜 탈조합니다. 출력을 최대 출력 위로 올려 보면 무슨 일이 벌어지는지 볼 수 있습니다.

계자는 무효전력을 정한다

출력을 그대로 둔 채 계자전류만 바꾸면 무슨 일이 일어날까요. 유효전력은 원동기가 정하므로 변하지 않습니다. 대신 무효전력이 변합니다.

• 과여자(계자를 올림) — 발전기가 지상 무효전력을 계통에 공급합니다. 계통 전압을 올리는 방향입니다.
• 부족여자(계자를 내림) — 발전기가 무효전력을 흡수합니다. 경부하 시간대에 계통 전압이 높을 때 씁니다.

계자를 바꾸며 전기자 전류를 그리면 V자 모양이 나오는데, 이것이 V곡선입니다. 바닥이 역률 1인 지점이고, 양옆으로 갈수록 무효분이 늘어 전류가 커집니다. 즉 원동기 출력은 유효전력을, 계자는 무효전력을 조절하는 손잡이입니다.

동기 리액턴스와 단락비

동기 리액턴스 X_s는 전기자 반작용까지 포함한 내부 임피던스입니다. 이 값이 작을수록 최대 출력이 커지고 전압변동률이 작아져 안정도가 좋아집니다. 그 역수에 해당하는 것이 단락비입니다.

단락비가 큰 기계(철기계)는 안정도와 전압 특성이 좋지만 크고 비쌉니다. 작은 기계(동기계)는 싸고 효율이 좋지만 안정도가 떨어집니다. 수차발전기는 단락비를 크게, 터빈발전기는 작게 설계하는 것이 보통입니다. X_s를 움직이며 최대 출력과 안정 여유가 어떻게 달라지는지 보세요.