동기발전기의 구조 및 형식 -출처:hycjam의 블로그

[Limitless(구,환타)]

터어빈용 동기발전기 개요 및 형식

1. 개요
기계적인 힘을 전기적인 힘으로 바꾸어주는 발전기는 터빈에 의해 직접 구동된다. 일일기동 및 일일정지가 특별한 제약 없이 가능하므로 이러한 발전기는 기저부하 및 첨두 부하용으로 운전 가능하다.


2. 동기 발전기의 구조

터바인 발전기의 출력은 구동하는 터바인의 형식에 따라 Tandem Compound와 Closs Compound가 있으며, 발전기 자체구조는 변함이 없이 다만 Closs Compound의 경우는 발전기 단기 출력이 Unit 출력의 약 1/2 이 된다. 터빈 발전기를 수차발전기와 비교한 경우, 가장 다른 점은 횡축의 고속회전기라고 말할 수 있다. 이것은 구동 터바인이 고온 고압의 열 에너지를 기계적 Torque로 변환 하는데 있어서 고속회전으로 하는 편이 유리 하기 때문이다. 이와 같이 고속회전기가 되면 회전자은 강한 원심력을 받기 때문에 되도록 가늘고 긴쪽이 유리하므로 회전가(계자)는 원통형의 단조축으로 만들어진 비돌극기가 된다. 발전기는 고정자, 회전자, 베어링 및 여자기로 구성되어있다. 이런 구성요소들은 각각분리되어 현장으로 공급된다.




1) 고정자
고정자는 철심과 전기자도체 및 전체를 감싸고 있는 Frame으로 2부분으로 구성되어있으며 볼트로 죄여져있다. 고정자 철심은 고정자 권선의 지지와 회전자계를 연계시키은 자속로를 제공하는 것이다.
고정자 철심은 냉각 압연한 규소강판(두께 0.35~05mm, 규소 함유량 2~4%를 부태꼴로 만들고 절연처리하여 성층함으로소 와류전(Eddy Current Loss)를 줄이고 있다.
철심을 성층할 때는 50~60mm마다 10~13mm의 간격편(내측)을 삽입시켜 냉각용 기채가 통하는 통로(Duct)가 된다.
전기자 도체를 삽입할 Slot가 파여진 날개형태의 얇은 규소강판을 Slot 측을 내경으로 해서 中空圓板狀으로 조합된 철심의 Slot 안에 고정자(전기자) 도체를 삽입하고 Wedge를 끼워 조립된다. 고정자 철심은 절연을 위해 Varnish칠이 된 성형 철심구조로 되어있다.
고정자 철심 단부의 누설자속에 의한 표류부하손(Stray Load Loss)를 줄이기 위해 적층상태에서 에폭시 수지로 접착, 비자성 내측 간격편을 채택, 단부 압판 표면의 도전성 차폐판 채용 등으로 손실을 경감하는 구조로 되어 있다.





2) 고정자 권선(Winding)
고정자 권선은 하프코일(Half Coil)로 제작하며 고정자 철심의 슬롯안에 넣은 후 단부를 용접으로 접속한다.
코일은 대부분 1회권코일로 평각동선을 사용하며, 고정자 철심 슬롯 내에 들어가는 권선은 와류전류손을 방지하기 위해 소손(素線)으로 만들고 이 소선은 서로 절연이 되어 있다.
또한 소선에 유기되는 전압의 균형을 맞추기 위하여 슬롯 안에서 소선의 위치를 서로 바꾼다 이를 소선의 전위(Transposition)이라 한다.

고정자(전기자) 도체는 절연은 F Class로, 高진공하의 Resin 속에서 함침시켜 건조하였으며, 각 Coil 끝은 절연된 Ring으로 확고하게 묶여져(bound)있다.
각 Coil 끝은 절연된 Ring으로 확고하게 묶여져(bound)있다.
도체는 단부에서 결선이 되어지며 Frame 외부로 Busing를 통해 인출된다. 통상 Bushing은 중성점측 3본, 선로측 3본이 인출되지만 대전류가 되면 1상당 2병렬회로로 하여 12본을 인출하는 경우도 있다.
이 경우는 발전기의 외부에서 중성점측 6본은 안데 합쳐지지고 6본은 각상으로 접속시켜 3본의 선로 단자로 한다. 발전기 권선은 절연계급 F종에 맞게 설계되어 있으며, 냉각방식은 고정자 권선은 간접 냉각방식, 회전자 권선은 직접 냉각방식이다. 전기자 권선이 전기각으로 120°의 간격으로 3권선이 배치되어 상간 접속을 Y, Δ접속을 할 수 있다. Y 결선은 같은 상전압이면 Δ결선보다 높은 선간 전압을 얻을 수 있으며, 같은 단자 전압이면 Delta 보다 절연이 쉬우며, 중성점을 이용할 수 있다는 이 점이 있다.


3) 회전자
회전자 혹은 계자가 되는 철심으로 계자권선을 지지하는 역활을 하며, 자극형태에 따라 돌극형과 원통형으로 분류된다.
돌극형은 개개의 자극이 튀어나와 있고 계자권선이 자극 철심에 집중해서 감겨져 있는 구조로 수차발전기나 엔진발전기와 같은 중, 저속기에 적용된다.
원통형은 기계적 강도를 고려하여 하나의 덩어리로 단조된 니켈, 몰리브덴, 바나듑(Ni, Mo, V)의 합금강으로 축의 철심부에 슬롯을 만들고 회전자 권선을 넣은 형식으로 터빈 발전기와 같은 고속기에 사용된다.
터빈발전기의 축은 고속 회전체로서 고장력, 고자기 특성을 갖추고 내부 결함이 없어야 햐며, 초음파 탐상 시험기로 검사하고 축 각 부분의 시혐편을 채취하여 자기특성, 기계적 특성을 시험한다.
축의 중심에는 구멍(중심공)의 뚫여 있어 보아스코브(Bore Scope)로 내부 결함을 검사하도록 되어 있으며, 초음파 탐상 시험시 저면 반자가 잘 되도록 되어있고, 또한 이 중심공은 회전자 코일의 리드(Lead)선을 통하기 위해 이용된다.

회전자축은 일체형의 Integral Coupling Flange로 이루어져있고, 원통형 緞造品에 계자 코일을 넣기 위해 축방향의 Slot속에 銅帶를 삽입하여 금속제의 쐐기(Wedge)로서 동대의 이탈을 방지한 구조로 되어있다. 軸端에 돌출된 동대도 원심력에 의해 외부로 이탈을 방지하기 위해 기계적 내력이 큰 원통환(保持環, End Ring , Retaining Ring 또는 End-winding retaining ring)은 특수한 비자성 합금으로 되어있다. Axial fan은 원통환의 축 각 끝단에 알맞게 설치되어있다.




4) 회전자권선
회전자 권선은 Hard-drawn 4각형의 Hollow Conductor로 되어있다. 회전자 권선의 절연은 Nomex 및 레진 처리된 Fiberglass 외피의 절연물로 이루어져있다.
회전자 권선 역시 F Class 절연으로, 회전자가 회전하는 동안 큰 원심력에 의해 Coil의 변형을 방지하기 위해 절연표면은 충분히 가열과 압축된다. 회전시에 이 Coil은 축방향으로 냉각되어 진다 회전자축은 일체형의 Integral Coupling Flange로 이루어져있고, 원통형 緞造品에 계자 코일을 넣기 위해 축방향의 Slot속에 銅帶를 삽입하여 금속제의 쐐기(Wedge)로서 銅帶의 이탈을 방지한 구조로 되어있다. 軸端에 돌출된 동대도 원심력에 의해 외부로 이탈을 방지하기 위해 기계적 내력이 큰 원통환(保持環, End Ring , Retaining Ring 또는 End-winding retaining ring)은 특수한 비자성 합금으로 되어있다. Axial fan은 원통환의 축 각 끝단에 알맞게 설치되어있다.

5) 코일 보호환(Retaining Ring)
코일 보호환은 고속회전으로 인해 받는 강한 원심력으로 부터 코일의 이탈을 방지하기 위해 회전자 단부(Rotor End)의 양단에 열박음으로 설치한 원통이다.
재질은 전기적, 기계적 특성이 좋은 18Mn-5Cr의 합금강을 많이 사용하였으나, 최근에는 응력부식 균열에 강하고 온도 및 강도 특성이 좋은 18Mn-18Cr의 합금강이 개발되어 사용되고 있다.
또한 코일 보호환은 불평형 부하 및 돌발 단락사고시 큰 전류가 흘러 국부 가열을 일으키므로 단락환을 설치하여 보호하고 있다.
센터링 링(Centering Ring)은 권선의 축방향 이탈을 방지하기 위하여 코일 보호환에 열박음 되어 있으며, 코일 보호환과 열박음되는 부위 이외에는 기계적 지지점이 없는 부동 상태로 통풍로를 형성시키고 회전자의 변형에 의한 영향이 코일 보호환에 미치지 않도록 한다.

6) 회전축
회전축은 Monoblock steel 주조(forging)로 되었으며, 기계적 강도 특성을 검사하는 초음파로 검사장치로 엄격히 시험된 재질로 제작되어 있다. 이 회전축에는 회전자 Coil을 설치하기 위한 Slot가 구성되어 있다.
완성된 축은 정격의 높은 속도의 바란서로 시험되어지며, 이 강도는 120%의 과속도에 의해 시험 및 검사되어진다.

7) Bearing
Journal type의 bearing으로서 베어링표면은 White metal로 line된 Sleeve type으로 되어 있고, Oil 누유를 방지하기 위하여 Oil Stopper가 양 끝에 설치어있다. 터빈 반대측의 베어링은 축에서 발생하는 축전류의 흐름을 방지하기 위하여 절연되어져 있다. 따라서 절연은 베어링에 의해서 절연되므로 배관을 위하여 절연할 필요가 없다. 이베어링은 축 휘임에 기인하는 부하의 불평형을 방지하기위하여 표면에 Spherical outer로 구성되어 있다.

8) 계자 형식 및 AC Exciter
1) 발전기는 회전계자형(Revolving Field Type)
자극이 고정되어 있고 전기자가 회전하는 구조의 것으로 계자권선이 많이 감겨서 단락비를 크게 할 수 있지만 소용량 저전압 동기기에 한정된다.

2) 회전전기자형(Revolving Armature Type)
전기자를 고정하고 계자를 회전시키는 구조로서 삼상권선의 배열 및 결선이 쉽고, 고압의 전기자 권선 절연이 용이하며, Slip Ring 이 없이 대전력을 인출할 수 있으며, 기계적으로 튼튼한 구조로 할 수 있는 이점이 있다.
회전계자형은 원통형과 돌극형으로 나뉘어지나 터빈 발전기와 같이 고속도인 기계에서는 풍손을 줄이기 위해 원통구조의 것을 채용한다.

3) Brushless Type
Brushless exciter는 ditected coipled PMG(Permanent Magnetic Generator), Rotating armature, Static field, Rotating rectifier,
AVR(Automatic voltage regulator)등으로 구성되어 있다.
6개의 Diode에 각각 직렬로 Fuse가 연결되어 있어 단락이 발생할 경우 용단되어지며, 썽지로부터 Diode를 보호하기 위하여 병렬로 Capacitor가 연결되어 있다.

6) 기타 부속설비
Exciter, End-Bearing (Exciter Bearing), Rotor Earth Fault Protection은 Non-Driving End에 있다. Exciter Stator와 End Bearing은 공통의 Intermediate Plate에 접속되어있다.
발전기 베어링, 발전기 고정자, Intermediate Plate는 각각 기초에 놓여진다. 기계베어링과 End-Bearing은 단순한 Journal 베어링이다. Main Oil 계통에서 Oil Vapor Extractor는 회전자 축을 따라 대기 중으로 누유되지 않도록 Bearing Pedestal에 약간의 Vacuum을 공급한다. NDE 측 베어링은 전류에 대해 누전 예방책으로 베어링 Pedestal로 부터 절연된다. 발전기는 상당히 신뢰성 있는 감시시스템을 필요로 하는데, Generator Monitoring System의 여러 가지 계기류로 감시시스템의 신뢰성을 보증한다.

7) Damping Winding/ Amortisseur Winding)
동기발전기에서 회전속도의 주기적 변화를 방지하고 일정한 속도를 유지하기 위하여 설치된 제동권선으로 그 주조상 전기자의 3상권선에서 보면 농형유도 전동기의 2차권선으로 작용한다. 회전자가 동기속도에서 이탈하여 고속도로 된 경우 제동권선이 전기자 반작용으로 자속을 끊어 전류가 흘러 이 전류와 반자굥자속 사이에 제동토크가 생겨 그 회전속도를 저하시키고 저속도가 된 경우 그 회전속도를 상승시키도록 작용하여 회전속도의 주기적인 변화를 방지한다.



참조 "Westing House Cooling Air System For The Turbogenerator manual"