1. 머리말

전력계통의 발전원은 여러 가지로 구성되어 있다. 1000MW 용량으로 대표되는 원자력발전소가기저부하를 담당하고 있으며, 500MW 초임계압 화력발전소가 중간부하를 담당하고 있다. 첨두부하는 수력발전소, 양수발전소, 복합화력발전소가 및 내연발전소가 담당하고 있다. 이러한 발전기를 구동하는 원동기는 운전을 위하여 많은 계측장치들이 있으며, 가장 중요한 것은 전력계통의 주파수와 동일하게 회전하는 원동기 회전축의 각속도이다.

본고에서는 전기 품질의 가장 중요한 요소인 주파수 유지와 발전소에서 일정히 유지해야 하는 원동기의 속도를 검출하는 원리에 대하여 살펴본다.

터빈을 제어하기 위해서는 압력 전송기와 열전대 등 여러 가지 계측기기와 구동장치가 있다. 터빈제어의 기본이 되는 것은 속도제어이고, 그래서 가장 중요한 계측기는 속도 검출기이다. 이것은 화력발전소와 원자력발전소는 물론 복합화력발전소, 내연발전소 및 수력발전소 등에 모두 공통된 사항이다. 따라서, 현장 계측기의 다중화가 보다 철저하게 구성되어 있고, 제어 프로그램 내에서도 고장 검출을 위하여 다양한 알고리즘이 구현되어 있다.

2. 속도 검출기

1) 수동형 속도 검출기
속도 검출기는 보통 터빈 축에 붙어 있는 톱니바퀴에 가까이 설치된다. 수동형 속도 검출기는 전원이 필요하지 않아 고장 사례가 거의 없다. 그리고 수동형 속도 검출기는 정자계(靜磁界)를 이용한 단상 교류 발전기의 원리를 이용한 것으로, 대상 물체는 자성을 띠지 않아야 한다
〈그림 1〉에서 영구자석과 주위의 코일로 구성되어 있으며, 톱니가 검출기를 통과할 때 자석 회로의 자기저항이 변하고, 자기장의 변화는 페러데이 법칙에 따라 코일에 유도전압을 발생시킨다. 이 출력전압의 크기는 톱니바퀴의 주변 속도와 톱니의 수에 비례하고, 간극에 반비례한다. 또 유도전압의 주파수는 축의 속도에 비례한다.
수동형 속도 검출기는 구조가 간단하여 신뢰성이 높은 반면, 저속도인 경우에는 출력 전압이 매우 작아서 제어시스템의 감도가 좋아야 하므로 영(零)속도를 검출하기 위해서 능동형을 쓰는 경우가 많다. 대부분의 터빈제어에서 정상 운전용으로 수동형이 쓰이고 있다.
 
2) 능동형 속도 검출기
설치 간극이 크거나 원동기의 속도가 매우 느린 경우에 사용하는 능동형 속도 검출기는 보통 구형파 전압을 출력한다. 속도가 변동할 경우 구형파 전압의 크기는 정해진 값을 유지하고, 전압의 주파수는 속도에 비례하여 변동한다. 전자소자의 단속 작용을 이용하므로 근접 스위치라고 한다.
능동형 속도 검출기는 내부 전자소자로 인하여 고장 확률이 높으므로 제어용으로는 저속도에 사용하고, 고속도에서는 적당하지 않다. 하드웨어의 감도가 작은 경우 기동 시 저속도에서 큰 신호를 얻기 위해 사용된다.

3) 가스터빈에 쓰이는 능동형 속도 검출기 사례
원동기 축의 위치, 상대 팽창, 진동, 편심 등을 검출하는 센서의 원리가 능동형 속도 검출기와 동일하다. 진동을 측정하는 계측기, 즉 와전류(Eddy Current)를 이용하여 가스터빈 회전속도를 검출하는 사례를 살펴보면 다음과 같다. 〈그림 5〉의 “발진 및 복조 회로”는 보통 24Vdc의 전원으로 0.5kHz~2MHz 정도의 고주파 신호를 생산하여 센서에 공급한다. 따라서, 센서의 인덕터에는 교류전류가 흐르고, 자기장을 생산하므로 도체의 표면에는 와전류가 흐른다.
 
따라서 측정 대상 물체인 도체가 움직이면 와전류가 변화하고, 시변 자기장을 발생시키며, 센서의 인덕터와 상호 결합하여 인덕터는 케이블과 발진회로에 전류를 유도한다. “발진 및 복조 회로”를 통하여 전류를 검출하면 도체의 움직임의 크기를 알 수 있다.

원동기의 속도를 검출하기 위하여 와전류 센서를 설치한다. 회로의 파형을 실측한 사례를 〈그림 6〉에 나타내었다.

3. 속도 검출용 치차

화력발전소의 원동기는 발전기의 축에 직결되어 초당 60도 회전하는 고속 회전체의 속도 증감을 신속하고 정밀하게 검출해야 한다. 실제의 경우, 원동기의 축에 다수의 치차를 가공하여 운영하고 있다.
 
전력계통에서 원동기는 보통 동기발전기에 직결되어 있으므로 발전기의 고정자 주파수(f), 회전자의 회전수(N) 및 발전기의 극수(P)는 다음과 같이 설명된다. 즉 동기기에서 N = 120×f÷P이므로 치차가 M개인 경우 초당 파형 수는 60×M개이고, 파형 1개의 주기는 1000/(60×M)㎳이며, 정리하면 〈표 1〉과 같다.

▶ 발전기의 계기용 변압기 사용하는 경우
: 발전기 전압의 주파수를 검출하므로, 정현파는 1초에 60개 발생한다. 주파수 파형 1개의 주기는 16.67(1000/60)㎳이다.

▶ 원동기 회전자의 치차가 60개인 경우
: 원동기가 1초에 60번 회전하면, 속도신호는 1초에 3,600개 발생되므로 PT를 사용하는 것보다 60배 정밀하고 빠르다. 속도 파형 1개의 주기는 277.8㎲(1000/60*60)이다

▶ 원동기 회전자 치차가 120개인 경우
: 원동기가 1초에 60번 회전하면, 속도신호는 1초에 7,200개 발생되므로 PT를 사용하는 것보다 120배 정밀하고 빠르다. 속도 파형 1개의 주기는 138.9㎲(1000/60*120)이다

상기에 서술한 바와 같이 가공한 치차의 숫자가 커질수록 원동기의 속도 변동을 더욱 신속히 검출할 수 있으므로 제어 성능이 그만큼 향상되며, 부하 탈락 등 큰 외란이 발생한 경우에는 그만큼 빠르게 대응할 수 있다.

4. 맺음말

국내 재생에너지 증가와 함께 가스터빈 제어의 기술 자립을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이를 위해서는 신뢰성 있는 하드웨어는 물론 터빈발전기의 물리적 운전 특성을 기초로 한 정상 운전 시의 제어 알고리즘이 중요하다. 하지만 회전속도를 검출하는 계측기의 원리도 대단히 중요하다. 본고에서는 회전속도를 검출하는 여러 가지 계측기의 원리에 대하여 소개하였으며, 제어시스템의 특성에 따라 적당한 방식을 선택하는 것이 중요함을 강조하였다.

문 영 대 차장
전력연구원 디지털솔루션연구소
yeoungdae.mun1377@kepco.co.kr

라 우 현 선임연구원
전력연구원 디지털솔루션연구소
woohyun.ra@kepco.co.kr