발전기는 어떻게 전기를 생산할까? 원리, 구조, 운전 및 유지보수를 한 편의 글에서 이해하자!

발전기는 전기 에너지 생산의 "마지막 단계"입니다. 터빈을 통해 전달된 기계적 에너지를 우리가 사용할 수 있는 전기 에너지로 변환하죠. 그렇다면 발전기는 어떻게 전기를 생산할까요? 고정자(stator)와 회전자(rotor) 같은 부품들의 기능은 무엇일까요? 아래에서는 하나씩 소개하겠습니다.

1. 발전기는 "전자기 유도(electromagnetic induction)"를 통해 전기를 생성합니다.

발전기의 작동 원리는 근본적으로 전자기 유도의 법칙에 기반을 두고 있습니다. 간단히 말하면, "회전하는 자기장이 전선을 절단하면서 전류를 발생시킨다"는 의미입니다. 폐열 발전소에서 일반적으로 사용되는 "동기 발전기"를 예로 들어보면, 전체 발전 과정은 4단계로 구성됩니다.

첫 번째 단계 : 자기장 형성("자력원")

원리: 발전기 회전자의 "계자 권선(excitation winding)"에 직류 전류를 공급하면 교번하는 극성을 갖는 자기장(예를 들어 N극과 S극이 교대로 배열됨)이 생성되며, 이것이 전력 생성을 위한 "주 자기장(main magnetic field)"이자 곧 "자력원"이 됩니다.

핵심 공급원: 계자 전류는 "계자 시스템(excitation system)"(예: 계자 변압기, 정류 장치 등)에 의해 공급되며, 이는 마치 자기장을 "충전"하는 과정으로, 자기장 세기의 안정성을 보장해 줍니다.

2단계 : 절단 동력 제공("운동" 입력)

원리: 발전소의 터빈(원동기)이 커플링을 통해 발전기 회전자를 회전시키며, 터빈의 동력은 증기에서 나옵니다(증기가 블레이드에 충격을 가해 회전하게 하며, 내부 에너지를 기계적 에너지로 변환함). 회전자는 주자계와 함께 회전하면서 「회전 자기장」을 형성합니다.

핵심 작용: 회전 자기장의 속도는 터빈의 속도와 일치합니다(예: 3000rpm은 50Hz 교류 전력에 해당함). 이 단계는 「발전기에 기계적 에너지를 공급하는」 과정이며, 동시에 「자기장이 도체를 절단하는 데 필요한 동력원」이 됩니다.

터빈은 발전기 회전자를 분당 3000회 회전시키므로, 회전 자기장이 계속해서 고정자 권선을 절단할 수 있습니다.

3단계 유도 기전력의 발생

원리: 회전 자기장이 차례로 고정자에 있는 '3상 대칭 권선'을 절단한다(3상 A-X, B-Y, C-Z는 공간적으로 120°의 전기각만큼 간격을 두고 배치됨). 전자기 유도의 법칙에 따르면 자기력선을 절단하는 도체는 '유도 기전력'을 발생시키는데, 이는 '파이프 속의 수압'과 유사하다.

주요 특징: 유도된 기전력은 '3상 대칭 교류'이며, 그 크기와 방향은 자기장의 회전에 따라 주기적으로 변하는데, 이것이 전기 에너지의 '원형'이다.

4단계 전기 에너지의 출력

원리: 고정자 권선의 단자 연결부는 외부 회로에 연결되며, 유도된 전위는 전하의 흐름을 유도하여 "전류"를 발생시킨다. 이로써 기계 에너지는 궁극적으로 전기 에너지로 변환되며 전체 에너지 변환 과정이 완료된다.

안정성 보장: 사용할 수 있고 안정적인 전기를 얻기 위해서는 전압 변동이나 장비 손상을 초래할 수 있는 결함을 방지하기 위해 "제어 보호 시스템"(예: 전압 조정기 및 차동 보호)도 필요합니다.

2. 주요 구조: 발전기의 '4대 핵심 구성 요소' 발전기는 복잡해 보일 수 있으나, 특정 기능을 갖춘 4개의 부품으로 구성된 핵심 구조를 가지고 있습니다:

고정자: "전기를 생성하는 고정된 끝부분"

구성 요소: 고정자 코어, 고정자 권선, 기계 받침대의 3가지 주요 부품으로 구성됩니다.

고정자 코어: "F등급 무방향성 냉간 압연 전기강판"(두께 약 0.35mm)을 쌓아 만들었으며(이들 강판은 자성이 우수하고 손실이 적음);

고정자 권선: 여러 가닥의 고체 동선을 엮어 만들고 "F등급 마이카 테이프"로 절연 처리한 것으로, 유도 기전력을 생성하는 "전선" 역할을 합니다;

머신 베이스: 내부 캐비티에 "탄성 위치결정 리브(Elastic Positioning Ribs)"가 있는 일체형 강철 구조로, 작동 중 조화 진동을 줄일 수 있습니다. (코어에서 베이스로 진동이 전달되는 것을 방지하기 위함)

기능: 정지 상태를 유지하여 회전자의 회전 자기장이 권선을 절단하게 하여 전기를 생성합니다.

회전자: "회전 자기장(Rotating Magnetic Field)"

구성: 회전자 코어(또는 극), 여기 권선, 슬립 링, 회전자 축으로 구성됨.

회전자 축: 고강도 합금강으로 제작된 단조 일체형 부품으로, 증기터빈의 토크를 견딜 수 있으며 회전자의 "골격" 역할을 합니다.

여기 권선: 회전자 코어의 홈에 감겨 있으며, 직류 전류를 흐르게 해 주 자기장을 생성합니다. 홈 내부의 공기 통로는 "냉각 공기 통로"를 형성하여 권선의 과열을 방지합니다.

슬립 링: 여기저스 권선을 외부 여자 시스템에 연결하여 직류 여자 전류를 전달하는 역할을 한다(슬립 링 표면은 매끄러워야 하여 불량 접촉을 방지함). 거친 슬립 링은 쉽게 스파크를 유발할 수 있다.

기능: 주 자기장과 함께 회전하며 "자력선 절단의 동력"을 제공한다.

엔드 커버 및 베어링: "연결 및 지지"

엔드 커버: 기계 베이스 양 끝에 고정되어 발전기 내부를 밀봉하여 먼지와 습기가 들어가지 않도록 한다.

베어링: "러디얼 베어링"과 "스러스트 베어링"으로 나뉜다. 러디얼 베어링은 회전자의 중량을 지지하고 회전 마찰을 줄이는 역할을 하며, 스러스트 베어링은 회전자의 축 방향 이동을 제한하여(회전자와 고정자가 닿지 않도록) 베어링을 통과하는 윤활유가 "오일 필름"을 형성하여 마모를 줄인다.

공기 냉각기: "냉각의 핵심"

역할: 발전기가 작동할 때 코어와 권선에서 열이 발생합니다(예: 구리 손실 및 철 손실). 공기 냉각장치는 "냉각 공기 순환"을 통해 열을 제거하여 스테이터 온도를 ≤130°C, 회전체 온도를 ≤120°C로 유지합니다(클래스 F 절연의 허용 온도 기준).

설치 세부 사항: 냉각장치는 일반적으로 발전기 양쪽 끝에 설치되며(일부는 중앙에 설치될 수도 있음), 냉각수 입구 온도는 30-35°C로 제어되고, 출구 온도가 40°C를 초과하지 않도록 하여 냉각 효율을 보장합니다.

3. 주요 운전 및 유지보수 포인트:

1. 온도 모니터링: 과열로 인한 손상 방지

점검 중점 사항:

스테이터 권선 온도: 내장형 온도 센서 요소로 모니터링하며, 정상 온도는 ≤130℃이며, 140℃를 초과하면 경보(코어 표면 온도 측정 시 적외선 온도계로 보조 측정 가능)

회전체 권선 온도: 슬립 링 근처의 온도 저항체로 모니터링하며, 정상 온도는 ≤120℃

베어링 온도: 견인 베어링 ≤65℃, 추력 베어링 ≤75℃, 과열 시 베어링 소손이 발생할 수 있음 (특정 화력발전소의 경우 베어링 온도가 80℃를 초과하여 정비를 위해 정지된 사례가 있음).

2. 진동 점검: 동적 및 정적 마모 방지

3. 절연 점검: 누전 고장 방지

점검 중점 사항:

고정자 권선 절연: 매월 2500V 절연저항계로 대지 절연 저항을 측정하며, 25℃ 기준으로 ≥1MΩ이면 합격이며, 0.5MΩ 미만일 경우 건조 처리가 필요함;

슬립 링 절연: 슬립 링과 회전자 축 사이의 절연 소매 손상 여부를 점검하여 여자 전류 누전을 방지함.

운전 및 정비 조치: 정지 시간 동안 고정자 권선 표면의 먼지를 청소하여 기름때와 습기가 절연 성능에 영향을 주지 않도록 함.

4. 파라미터 모니터링: 전력 품질 확보

점검 중점 사항:

전압: 정자 출력 전압 편차가 정격값의 ±5% 이내여야 함(예: 10.5kV 발전기의 경우 전압은 9.975~11.025kV 사이여야 함);

전류: 정격 전류를 초과해서는 안 됨(예: 15MW 발전기의 경우 정격 전류는 약 866A임). 과부하를 방지하기 위함임;

계자 전류/전압: 정격값 주변에서 안정적으로 유지되며, 변동폭은 ±2% 이내여야 함(비정상적인 계자 전류는 자계 불안정을 유발할 수 있으며, 이는 전압에 영향을 미침).

5. 청소 및 유지보수: 고장 위험 감소

점검 중점 사항:

공기 냉각기: 분기마다 방열 핀의 먼지를 제거함(압축 공기를 이용해 불어내어) 냉각 효율 저하를 초래하는 막힘 현상을 방지함;

슬립 링: 표면을 매끄럽게 유지하고, 카본 브러시의 마모 상태를 점검함(지정된 길이에 도달하면 교체함). 계자 전류의 안정적인 전달을 보장함. 카본 브러시 홀더의 느슨함 여부도 점검함.◦

머신 베이스 내부: 정지 시간 동안 연 1회 스테이터 코어의 느슨함과 권선의 변형 여부를 점검하고, 내부에 축적된 먼지를 제거하십시오.