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1. 응용전기전자실험2 결과보고서
1.1. 실험 목적
소형 풍력 터빈에 사용되는 전기 발전기의 구조와 동작에 대하여 설명할 수 있게 된다는 것이 이번 실험의 첫 번째 목적이다. 발전기의 회전자와 고정자가 교류(AC) 전압을 어떤 방식으로 생성하는지 설명할 수 있게 된다는 것이 두 번째 목적이다.
세 번째 목적은 발전기의 회전 속도 변화가 발전된 AC 전압의 크기와 주파수에 미치는 영향을 알아내는 것이다. 네 번째 목적은 바람에 담겨진 출력을 계산하는 방법과 풍속에 의해 풍력이 어떻게 변하는지를 파악하는 것이다.
다섯 번째 목적은 풍력 터빈의 회전자의 전형적 토크 - 속도 곡선과 기계적 출력 - 속도 곡선을 이해하는 것이다. 마지막으로 풍력 발전기의 출력단에서의 전류-전압 곡선 및 전력-속도 곡선에 대해 알게 되고, 이들이 풍속에 어떻게 영향을 받는지도 알게 될 것이다.
1.2. 실험 결과
1.2.1. 풍력 터빈 발전기의 전압 - 속도 특성
풍력 터빈 발전기의 전압 - 속도 특성은 풍력 발전기의 회전 속도가 높아질수록 발전기 전압이 직접적으로 비례하여 증가하는 특성을 나타낸다. 이는 패러데이의 전자기유도 법칙에 따라 설명될 수 있다.
풍력 발전기의 회전자 내에서 회전 속도가 증가할수록 자기장의 변화율이 커지게 된다. 이에 따라 전자기유도에 의해 발전기 권선에 유도되는 전압의 크기가 증가하게 된다. 즉, 회전 속도가 높아질수록 전압 파형의 주기가 짧아져 피크 값이 더 높아지게 되는 것이다.
실험 결과에 따르면, 풍력 발전기의 회전 속도를 0 r/min에서 1500 r/min까지 증가시켰을 때 발전기 전압은 0.164 V에서 44.30 V로 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 이론적 예측과 잘 부합하는 결과라고 할 수 있다.
따라서 풍력 터빈 발전기의 전압은 발전기 회전 속도에 직접적으로 비례하여 변화한다고 결론 내릴 수 있다.
1.2.2. 풍력 터빈 발전기의 토크 - 전류 특성
풍력 터빈 발전기에서는 회전자의 회전에 따른 발전기 축의 토크와 발전기에 인가되는 전류 사이의 관계를 파악하는 것이 중요하다. 실험 결과에 따르면, 전기 부하 저항이 증가할수록 발전기 축의 토크가 증가하고 발전기 전류 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
구체적으로, 전기 부하 저항 R_L이 무한대일 때는 발전기 축의 토크가 -0.053 N·m, 발전기 전류가 0.008 A로 나타났다. 이후 R_L이 1200 Ω, 600 Ω, 300 Ω으로 감소함에 따라 발전기 축의 토크가 -0.107 N·m, -0.222 N·m, -0.393 N·m로 증가하였고, 발전기 전류 또한 0.109 A, 0.219 A, 0.429 A로 증가하였다.
이와 같은 결과는 발전기 부하 저항이 감소할수록 발전기에 인가되는 전류가 증가하고, 이에 따라 발전기 회전자에 작용하는 토크 또한 증가한다는 것을 의미한다. 발전기 권선에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장이 회전자의 회전을 방해하는 방향으로 작용하기 때문이다.
따라서 풍력 터빈 발전기의 토크-전류 특성은 부하 저항의 변화에 따라 선형적으로 변화하며, 이를 통해 발전기 회전자의 토크와 발전기 출력 전류 사이의 상관관계를 파악할 수 있다고 볼 수 있다.
1.2.3. 출력 - 풍속
'출력 - 풍속'은 풍력 터빈에서 풍속에 따른 전기적 출력 특성을 나타낸다. 실험 결과에 따르면 풍속이 증가할수록 풍력 터빈의 출력이 증가하는 것을 알 수 있다.
4m/s의 풍속에서는 무부하 상태(R_L = 무한대)에서 출력이 0.4W 수준이었으나, 부하가 증가할수록 최대 7.32W까지 출력이 증가하였다. 7m/s의 풍속에서는 무부하 상태에서 출력이 0.65W였고, 부하가 증가할수록 최대 29.38W까지 출력이 증가하였다. 10m/s의 풍속에서는 무부하 상태에서 출력이 0.94W였고, 부하가 증가할수록 최대 67.33W까지 출력이 증가하였다.
이를 통해 풍속이 증가할수록 풍력 터빈의 출력이 증가하며, 최대 출력점은 풍속이 가장 높은 10m/s일 때 나타났음을 알 수 있다. 즉, 풍속이 증가할수록 풍력 터빈의 회전이 빨라져 발전기의 전기적 출력도 비례하여 증가한다는 것을 확인할 수 있다.
1.3. 결과에 대한 논의
1.3.1. 풍력 터빈 발전기의 전압 - 속도 특성
풍력 발전기의 회전 속도가 0에서 1500 r/min까지 균등하게 8단계로 나뉘어질 수 있도록 파라미터를 조절하여 실험한 결과, 발전기 회전속도가 증가함에 따라 발전기 전압도 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로 발전기 회전 속도가 0r/min일 때 발전기 전압은 0.164V였으며, 1500r/min일 때 발전기 전압은 44.30V로 나타났다.
이는 풍력 발전기의 원리와 부합하는 결과이다. 풍력 발전기의 회전자와 고정자 내부의 도선 루프를 통과하는 자기장의 변화 속도가 증가함에 따라 유도 기전력이 증가하기 때문이다. 즉, 회전 속도가 빨라질수록 도선 루프를 지나가는 자기장의 변화 속도가 증가하여 패러데이 법칙에 의해 전압이 높아지게 된다. 그러므로 풍력 발전기의 전압은 회전 속도에 비례하여 증가한다고 볼 수 있다.
따라서 본 실험 결과를 통해 풍력 발전기의 전압이 발전기 회전 속도에 직접적으로 비례하여 변화한다는 사실을 확인할 수 있었다.
1.3.2. 풍력 터빈 발전기의 토크 - 전류 특성
'1.3.2. 풍력 터빈 발전기의 토크 - 전류 특성'은 발전기의 회전자에 가해지는 토크와 발전기 권선에 흐르는 전류의 관계를 나타내는 특성이다. 이 특성은 풍력 발전기의 전력 생산 특성을 이해하는 데 중요한 부분이다.
실험 결과에 따르면, 전기 부하 저항이 증가할수록 발전기 축의 토크가 증가하는 것으로 나타났다. 전기 부하 저항이 무한대일 때 토크는 -0.053 N·m이었으나, 300 Ω으로 감소할 때에는 토크가 -0.393 N·m로 증가하였다. 이는 전기 부하가 증가할수록 발전기 권선에 흐르는 전류가 증가하기 때문이다.
전류가 증가하면 발전기 고정자의 권선 루프를 통해 흐르는 전류가 증가하게 된다. 이 전류에 의해 생성되는 자기장이 회전자의 회전을 방해하는 토크를 발생시키게 된다. 따라서 전기 부하가 증가할수록 발전기 축에 작용하는 음의 토크가 증가하게 되는 것이다.
한편, 발전기의 회전 속도와 전압은 전기 부하 저항 변화에 따라 변동이 없는 것으로 나타났다. 이는 실험에서 회전 속도를 일정하게 유지했기 때문에 발전기의 전압이 일정한 값을 유지할 수 있었기 때문이다.
이러한 토크-전류 특성은 풍력 터빈 발전기의 최대 출력점을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 회전 속도가 증가함에 따라 토크가 증가하다가 감소하는 지점이 최대 출력점이 되기 때문이다. 따라서 이 특성을 정확히 이해하는 것이 풍력 발전기의 최적 운전을 위해 필수적이라고 할 수 있다.
1.3.3. 출력 - 풍속
풍력 터빈 발전기의 전력 출력은 바람의 속도에 크게 의존한다. 바람의 속도가 증가할수록 풍력 터빈에 작용하는 공기의 동압이 증가하여 발전기의 출력이 높아진다. 이러한 출력-풍속 특성은 복잡한 비선형 관계를 가지고 있다.
실험 결과에 따르면, 풍속이 4m/s, 7m/s, 10m/s로 증가함에 따라 풍력 터빈 발전기의 전기적 출력이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다. 4m/s 풍속에서의 최대 전기적 출력은 약 0.41W였으나, 7m/s 풍속에서는 약 6.46W, 10m/s 풍속에서는 약 13.67W까지 증가하였다. 이는 풍속의 세제곱에 비례하여 풍력 출력이 증가한다는 이론적 예측과 잘 부합한다.
한편, 풍속이 증가할수록 기계적 출력 역시 점차 증가하는데, 이는 회전자의 속도 증가에 따른 것이다. 4m/s 풍속에서 약 -2.73W의 기계적 출력을 보였지만, 7m/s에서는 약 -10.95W, 10m/s에서는 약 -20.97W까지 증가하였다. 그러나 전기적 출력과 기계적 출력 사이에는 ...
