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전기기사 전기기기 · 동기발전기의 병렬운전

Parallel Operation of Synchronous Generators

동기발전기를 계통에 병렬로 넣으려면 기전력의 크기·위상·주파수·파형·상회전 방향을 먼저 맞춰야 한다. 하나라도 어긋난 채 차단기를 닫으면 두 기계 사이에 순환전류가 흐르거나 축에 큰 충격 토크가 걸린다. 일단 붙고 나면 두 기계는 같은 속도로 돌고, 유효전력은 원동기 입력으로, 무효전력은 여자로 나눠 가져요. G2 의 조속기와 여자전류 슬라이더를 움직이면 두 회전자의 위상 차와 P·Q 분담 막대가 함께 바뀌어요.

왜 병렬운전을 하는가

🏭 여러 대로 나눠 돌리는 이유
큰 발전기 한 대보다 여러 대를 병렬로 묶어 돌리는 편이 운전하기 쉽다.
①부하가 줄면 몇 대를 세우고, 나머지를 효율 좋은 출력 근처에서 돌릴 수 있다.
②한 대를 정비하는 동안에는 다른 기계가 그 부하를 넘겨받아요.
③한 대로는 만들 수 없는 큰 용량도 여러 대를 합쳐 공급한다.

병렬운전 조건과 전력 분담

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🔍 그림 읽는 법
두 기계는 모선에 묶여 있어 언제나 같은 속도로 돈다. 그래서 두 회전자는 함께 돌고, 달라지는 것은 둘 사이의 위상 차뿐이다.
①G2 조속기를 올리면 G2 회전자가 G1 보다 조금 앞서 돌고(부하각 δ 증가) 유효전력 P 를 더 많이 맡아요.
②G2 여자전류를 올리면 G2 가 무효전력 Q 를 더 많이 내고, 유효전력 분담은 거의 그대로예요.
③막대는 두 기계가 나눠 맡은 몫의 비율이고, 전체 부하는 일정하다고 놓았어요.

병렬 투입의 다섯 조건

① 기전력 크기 일치
E₁ = E₂
여자전류로 맞춘다. 다르면 무효순환전류(무효횡류)가 흐른다.
② 위상 일치
δ = 0
동기검정기로 확인한다. 다르면 동기화전류(유효순환전류)가 흐른다.
③ 주파수 일치
f₁ = f₂
조속기로 맞춘다. 다르면 두 전압의 위상 차가 계속 변해 동기화전류가 주기적으로 흐르고 난조가 생겨요.
④ 파형 일치
정현파
다르면 고조파 순환전류가 흘러 전기자가 과열된다.
⑤ 상회전 방향 일치
R-S-T 순서 동일
다르면 적어도 한 상은 위상이 120° 넘게 어긋나, 투입하는 순간 단락에 가까운 큰 전류가 흐른다.
⚡ 어긋났을 때 생기는 일
①크기가 다르면 무효순환전류(무효횡류)가 흘러 전기자가 과열된다.
②위상이 다르면 동기화전류(유효순환전류)가 흘러 앞선 기계에서 뒤진 기계로 전력이 넘어가고, 축에 충격이 간다.
③위상이 정반대(180°)일 때가 가장 나쁘다. 차단기 양쪽에 상전압의 두 배가 걸려 단락전류에 가까운 전류가 흘러요.
④그래서 동기검정기 바늘이 천천히 돌아 12시 방향(위상 차 0)에 다가올 때 투입해요.

유·무효전력 분담

유효전력 P
P → 조속기로 조절
원동기 입력이 바뀌면 부하각 δ 가 바뀌고 P 가 따라 바뀐다.
무효전력 Q
Q → 여자전류(If)로 조절
계자전류가 바뀌면 E 의 크기가 바뀌고 Q 가 따라 바뀌어요.
💡 핵심 원리
P = (EV/Xs) sinδ 에서 읽으면 이렇다.
①조속기를 올리면 δ 가 커지고 sinδ 가 커져 유효전력 P 가 는다.
②여자전류를 올려 E > V 가 되면 그 기계는 지상 무효전력을 계통에 내준다.
③여자전류를 내려 E < V 가 되면 반대로 지상 무효전력을 계통에서 받아들여요(진상 운전).

시험 정리

병렬조건
5가지
크기·위상·주파수·파형·상회전
P → 조속기
유효전력
부하각 δ 조절
Q → 여자전류
무효전력
E 크기 조절
동기검정기
투입 시점 판단
바늘이 12시에 다가올 때 투입
📝 시험 포인트
①병렬 투입 다섯 조건은 기전력의 크기·위상·주파수·파형·상회전 방향이다.
②유효전력은 조속기, 무효전력은 여자전류로 나눠 맡긴다. 가장 자주 나오는 짝이에요.
③기전력 크기가 다르면 무효순환전류(무효횡류)가 흘러 과열된다.
④위상이 다르면 동기화전류(유효순환전류)가 흘러 축에 충격이 간다.
⑤E₁ > E₂ 이면 G1 은 90° 늦은 전류를 내보내 감자 작용을, G2 는 90° 앞선 전류를 받아 증자 작용을 받는다. 그래서 두 전압이 같아지는 쪽으로 움직인다.
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 병렬운전 중인 동기발전기의 유효전력 분담을 바꾸려면? (답: 조속기로 원동기 입력을 조절한다)
②[기출유형] 기전력 크기가 다른 두 대를 병렬운전하면? (답: 무효순환전류(무효횡류)가 흐른다)
③[기출유형] 병렬운전 조건이 아닌 것은? (답: 전기자 저항이나 용량은 같을 필요가 없다)
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