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목차

열병합 발전용 상용 발전기 개발 (200kW, 1000kW급) 19

제1장 서론 21

제2장 연구의 개요 23

제1절 연구개발의 동향 및 개발의 중요성 23

제2절 기술개발의 내용 25

제3절 연구추진 실적 27

제4절 연구기자재 및 시약 재료의 사용실적 29

열병합 발전용 상용 발전기 개발 ( 1,000kW급 ) -효성중공업 연구보고 31

제3장 손실해석(1,000kW급) 33

제1절 주요 손실의 분석 33

제2절 손실분리시험에 의한 손실분석 및 대책 39

제4장 안정도(1,000kW) 45

제1절 안정도의 종류 45

제2절 동기기의 특성 46

제3절 특성치의 계산 57

제4절 시험결과[원문불량;p.66∼67] 62

제5장 시제품 개량설계, 제작 및 보완(1,000kW) 71

제1절 냉각구조 개량[원문불량;p.69,74] 71

제2절 축강도 검토 76

제3절 GD² (관성 모멘트) 91

제4절 소형화, 고효율화에 따른 구조변경[원문불량;p.104] 104

제5절 금형 개량 및 제작[원문불량;p.116∼117] 112

제6장 동기발전기의 왜형율 분석(1,000kW) 131

제1절 유한요소법에 의한 유기전압 고조파 분석 131

제2절 유기전압의 왜형율 저감 방법 142

제7장 신뢰성 시험(1,000kW) 151

제1절 절연신뢰성 향상 151

제2절 축계열 신뢰성 154

제3절 시험절차 및 시험방법 157

제4절 시험 DATA 162

제8장 결과 및 고찰(1,000kW) 193

제1절 연구 개발 결과 193

제2절 향후 계획 195

1,000kW급 동기발전기의 열전달 및 고효율화 해석 -부산대학교 위탁 연구보고 197

제9장 서론 199

제10장 동기발전기의 열전달 해석 201

제1절 동기발전기의 제손실과 온도상승해석 201

제2절 열전달 해석을 위한 시험 204

제3절 전기자에서의 열전달 해석 211

제4절 시뮬레이션 결과 222

제5절 실험결과 및 고찰 227

제11장 자극형상의 최적설계를 위한 FEM해석 229

제1절 동기발전기 자극형상의 표준 229

제2절 대상발전기의 해석방법 232

제3절 대상발전기 모델의 적용해석 235

제4절 종합적인 해석 270

제12장 브러쉬레스형 exciter system 에서의 출력파형개선 273

제1절 맥류여자전원에 따른 출력파형의 고조파 분석[원문불량;p.275] 273

제2절 자기회로 설계에 따른 출력전압의 고조파 해석 297

열병합 발전용 상용 발전기 개발 (200kW급) -이천전기 연구보고 307

제13장 개요 309

제14장 설계검토 311

제1절 고효율 311

제2절 소형화 313

제15장 시제품 설계 333

제1절 설계의 주안점 333

제2절 기존설계와 시제품 설계의 비교 335

제3절 FEM에 의한 동기 발전기 해석 336

열병합 발전용 상용발전기 개발 첨부자료 349

참고문헌 351

부록 1. 200kW급 상용발전기 전기계산 Sheet 353

부록 2. 200kW급 상용발전기 외형도 354

부록 3. 1,000kW급 상용발전기의 학술발표 논문초록(돌극형 동기발전기의 열전달해석)[원문불량;p.354~355] 355

표 2.1. 상용발전기 목표사양 25

표 2.2. 연구개발 진도표 27

표 3.1. 손실량 비교 39

표 3.2. 효율향상 검토 요약 40

표 3.3. 손실의 구성비율 40

표 3.4. 손실 감소 방안 42

표 4.1. 동기리액턴스의 시험DATA 63

표 4.2. 단락시험 DATA 64

표 4.3. 과도리액턴스의 시험DATA 65

표 4.4. 영상리액턴스의 시험DATA 66

표 4.5. 역상리액턴스의 시험DATA 66

표 4.6. 시험DATA 67

표 4.7. 계산치와 시험값 DATA 비교 67

표 5.1. 풍량비교 75

표 5.2. 동적 효과 계수의 값 79

표 5.3. 각부의 강도계산치 88

표 5.4. 각부의 위험속도값 90

표 5.5. Rotor의 GD² 104

표 5.6. 소형화에 따른 Data비교 105

표 5.7. Core Data비교 110

표 5.8. Pole형상의 설계Data 비교 129

표 5.9. 왜율비교 130

표 5.10. 외국사 왜율 130

표 6.1. 위치 R에 따른 왜형율 변화 145

표 6.2. θ의 변화에 따른 왜형율 변화 146

표 6.3. 주요 고조파에 대한 단절계수 148

표 6.4. 2／3 피치일 때의 유기전압 고조파 성분 148

표 6.5. 5／6 피치일 때의 유기전압 고조파 성분 149

표 7.1. 축강도설계에 따른 Data 154

표 7.2. 부하시험 절차 164

표 7.3. 시험 Data 165

표 8.1. 손실량 비교 193

표 8.2. Fan 특성비교 193

표 8.3. 축의 강도계산치 194

표 8.4. Rotor의 GD² 194

표 8.5. 소형화에 따른 Data비교 194

표 8.6. 왜율비교 195

표 10.1. 동기발전기의 재원 204

표 10.2. 열과 전기상수와의 관계 212

표 10.3. 각 부위의 열량 217

표 10.4. 각 부위의 열전도도 상수 219

표 10.5. 각 부위의 열용량 정수 220

표 12.1. 계자인가전원에 따른 출력선간전압의 왜형률 분석 (Exciter의 최대전압: 100V) 294

표 12.2. 계자인가전원에 따른 출력선간전압의 왜형률 분석 (Exciter의 최대전압: 130V) 295

표 12.3. THF의 규정값 297

표 12.4. 자극과 상당 정수의 슬롯을 가진 3상 권선에서의 고조파의 감소율 303

표 14.1. 손실 저감 대책 311

표 14.2. 극수와 용량에 따른 X와 Ai및 Ae의 관계(이미지참조) 315

표 14.3. 출력 계수를 1.5배 증가시킨 발전기의 특성 319

표 14.4. 절연물에 따른 온도상승 324

표 15.1. 적층길이 L과 폴피치 τ의 관계 333

표 15.2／표 15.3 설계자료비교 335

그림 3.1. 히스테리시스 루우프 36

그림 3.2. 철손곡선 그래프 37

그림 3.3. 손실의 구성비율 41

그림 4.1. 단락발생후의 계자와 전기자의 위치 47

그림 4.2. 단락시의 Ia 및 If의 값의 추이(이미지참조) 50

그림 4.3. 2상발전기의 쇄교자속수의 일정성 51

그림 4.4. 교류발전기 3상단락에의한 선전류 52

그림 4.5. 과도리액턴스를 구하는 도식 54

그림 4.6. 제동권선 54

그림 4.7. 자극과 자속의 관계 55

그림 4.8. 직축전기자 반작용 56

그림 4.9. 단락시 전기자 반작용 57

그림 5.1. 팬의 형상 73

그림 5.2. 키이웨이의 응력집중현상 80

그림 5.3. 지름이 다른 부분의 응력집중 81

그림 5.4. 단달림축의 응력집중계수 81

그림 5.5. 축의 처짐 83

그림 5.6. 축의 단면도 84

그림 5.7. 평행축정리를 이용한 GD² 93

그림 5.8. 원주의 GD² 93

그림 5.9. 중공원 및 직방체의 GD² 94

그림 5.10. FAN의 형상 96

그림 5.11. Exciter Rotor. 97

그림 5.12. Rotor Core 압축판 98

그림 5.13. RT.COIL 압축판 99

그림 5.14. Diode Boss 100

그림 5.15. Rotor Core 101

그림 5.16. Rotor Coil 101

그림 5.17. 극형상 102

그림 5.18. BEARING의 구조 102

그림 5.19. Coupling 103

그림 5.20. POLE의 형상 105

그림 5.21. 기존TYPE 107

그림 5.22. 신설계 107

그림 5.23. Bearing 조립도 109

그림 5.24. 제품도와 스트립레이아웃드 114

그림 5.25. 프로그레시브 피어싱블랭킹 금형 115

그림 5.26. 프로그레스브 금형 (스프링 스트리퍼) 116

그림 5.27. 프레스 각부의 명칭 117

그림 5.28. Punching Die (A)[원문불량;p.116] 118

그림 5.29. Punching Die (B)[원문불량;p.117] 119

그림 5.30. Shearing process in blanking operation 120

그림 5.31. Critical stages of shearing action of sheet metal 122

그림 5.32. Direction of sheet stress 123

그림 5.33. Magnification at penetration of .010 Inches(200X) 124

그림 5.34. Magnification at penetration of .025 Inches (200X) 125

그림 5.35. Magnification(Maginfication) at penetration of .035 Inches (200X) 126

그림 5.36. Magnification at penetration of .050 Inches (200X) 127

그림 5.37. Magnification at penetration of .060 Inches (200X) 128

그림 5.38. 극(Pole)의 형상 129

그림 6.1. 발전기의 2차원 해석모델 132

그림 6.2. 요소분할도 (요소수 : 2993, 절점수 : 1544) 133

그림 6.3. 공극부분의 요소확대 134

그림 6.4. 절심의 B-H 특성곡선 134

그림 6.5. 회전자 이동에 따른 자속분포 135

그림 6.6. 발전기 유기전압의 상전압 파형 및 고조파 분석 (극형상 개선 전) 139

그림 6.7. 발전기 유기전압의 선간전압 파형 및 고조파 분석 (극형상 개선 전) 140

그림 6.8. 극형상 설계변수 142

그림 6.9. 개선된 극형상에서의 자속분포 143

그림 6.10. 발전기 유기전압의 선간전압 파형과 고조파 분석 (극형상 개선후) 143

그림 6.11. damper bar의 위치변화 145

그림 6.12. 발전기 유기전압의 선간전압 파형과 고조파 분석 (damper bar의 위치변경 후) 146

그림 6.13. 자성 웨지에 의한 슬롯고조파의 저감 150

그림 7.1. 허용온도로 연속사용한 경우의 평균 수명 151

그림 7.2. 침수 및 공기중에 방치시 절연수명 152

그림 7.3. 축에 작용하는 하중 155

그림 7.4. 부하시험 164

그림 10.1. 전기자에서의 온도센서의 위치 205

그림 10.2. 100%부하의 시험결과 207

그림 10.3. 부하에 따른 전기자 각 부위의 온도 상승 208

그림 10.4. 통풍입구 조정에 따른 전기자의 각 부위의 온도상승 210

그림 10.5. 통풍출구 차단에 따른 전기자의 각부위의 온도상승 210

그림 10.6. 전기자의 열전달 등가 회로 213

그림 10.7. 온도상승 프로그램을 위한 Flow chart 221

그림 10.8. 100%부하에서의 시뮬레이션결과[원문불량;p.220] 222

그림 10.9. 50%부하에서의 시뮬레이션결과[원문불량;p.221] 223

그림 10.10. 75%부하에서의 시뮬레이션결과[원문불량;p.221] 223

그림 10.11. 125%부하에서의 시뮬레이션결과 224

그림 10.12. 통풍구 입구조절에 따른 열전도도의 변화 225

그림 10.13. 통풍구 출구조절에 따른 열전도도의 변화 225

그림 10.14. 125%의 부하에서 통풍구 조절에 의한 시뮬레이션결과 226

그림 11.1. 정현파공극자속분포를 위한 표준설계기준 230

그림 11.2. 자극형상의 기본설계도 231

그림 11.3. FEM해석의 flow chart 233

그림 11.4. 대상발전기의 요소분할 234

그림 11.5. 표준자극의 도면 235

그림 11.6. 표준자극의 자속분포 236

그림 11.7. 표준자극의 자속분포 (슬롯이 없을 때) 237

그림 11.8. 표준자극의 공극자속밀도 238

그림 11.9. 표준자극의 공극 자속밀도 (슬롯이 없을 때) 239

그림 11.10. 조정자극의 도면 240

그림 11.11. 조정자극의 자속분포 241

그림 11.12. 조정자극의 자속분포 (슬롯이 없을 때) 242

그림 11.13. 조정자극의 공극 자속밀도 243

그림 11.14. 조정자극의 공극 자속밀도 (슬롯이 없을 때) 244

그림 11.15. Pole shoe tip의 형상변경 도면 245

그림 11.16. Pole shoe tip의 형상변경에 의한 자속분포 246

그림 11.17. Pole shoe tip의 형상변경에 의한 자속분포 (슬롯이 없을 때) 247

그림 11.18. Pole shoe tip의 형상변경에 의한 공극 자속밀도 248

그림 11.19. Pole shoe tip의 형상변경에 의한 공극 자속밀도 (슬롯이 없을 때) 249

그림 11.20. 조정자극에서의 damping bar의 위치이동 도면 250

그림 11.21. 조정자극에서의 damping bar의 이동에 의한 자속분포 (슬롯이 없을 때) 251

그림 11.22. 조정자극에서의 damping bar의 이동에 의한 공극자속밀도 (슬롯이 없을 때) 252

그림 11.23. 조정자극에서의 damping bar의 이동에 의한 자속분포 (슬롯이 있을 때) 253

그림 11.24. 조정자극에서의 damping bar의 이동에 의한 공극자속밀도 (슬롯이 있을 때) 254

그림 11.25. Pole shoe tip gap 축소조정자극에서의 damping bar의 이동에 의한 자속분포(슬롯이 없을 때) 255

그림 11.26. Pole shoe tip gap 축소조정자극에서의 damping bar의 이동에 의한 공극자속밀도(슬롯이 없을 때) 256

그림 11.27. 조정자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 도면[원문불량;p.255] 257

그림 11.28. 표준자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 자속분포 258

그림 11.29. 표준자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 자속분포 (슬롯이 없을 때) 259

그림 11.30. 표준자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 공극자속밀도 260

그림 11.31. 표준자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 공극자속밀도 (슬롯이 없을 때) 261

그림 11.32. 조정자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 자속분포 262

그림 11.33. 조정자극에서 alr gap을 2배로 했을 때의 자속분포 (슬롯이 없을 때) 263

그림 11.34. 조정자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 공극자속밀도 264

그림 11.35. 조정자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 공극자속밀도 (슬롯이 없을 때) 265

그림 11.36. Pole shoe tip gap 축소조정자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 자속분포 266

그림 11.37. Pole shoe tip gap 축소조정자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 자속분포 (슬롯이 없을 때) 267

그림 11.38. Pole shoe tip gap 축소조정자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 공극자속밀도 268

그림 11.39. Pole shoe tip gap 축소조정자극에서 air gap을 2배로 했을 때의 공극자속밀도(슬롯이 없을 때) 269

그림 11.40. Air gap을 2배로 하였을 때의 각 자극형상에 대한 공극자속밀도의 비교 271

그림 11.41. Damping bar의 이동에 대한 공극자속밀도의 비교 272

그림 12.1. DC 쵸퍼에 의한 계자인가전원의 파형 (듀티비:0.25) 274

그림 12.2. 무부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 275

그림 12.3. 50% 부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 276

그림 12.4. 100% 부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석[원문불량;p.275] 277

그림 12.5. DC 쵸퍼에 의한 계자인가전원의 파형 (듀티비:0.5) 278

그림 12.6. 무부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 279

그림 12.7. 50% 부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 280

그림 12.8. 100% 부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 281

그림 12.9. 단상전파정류회로에 의한 계자인가전원의 파형 282

그림 12.10. 무부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 283

그림 12.11. 50% 부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 284

그림 12.12. 100% 부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 285

그림 12.13. 삼상전파정류회로에 의한 계자인가전원의 파형 286

그림 12.14. 무부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 287

그림 12.15. 50% 부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 288

그림 12.16. 100% 부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 289

그림 12.17. 직류전원에 의한 계자인가전원의 파형 290

그림 12.18. 무부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 291

그림 12.19. 50% 부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 292

그림 12.20. 100% 부하시의 출력선간전압의 파형과 고조파분석 293

그림 12.21. 사각파의 자속밀도에서의 고조파 ( an／af ＝ cos nα ／n cos α) an : n차의 고조파의 크기, af : 기본파의 크기(이미지참조) 299

그림 12.22. Shaped air gap의 회전자 자극의 반경 (0.15 까지의 a'／rs(이미지참조) 의 값에 대하여) 300

그림 12.23. Shaped air gap에 대하여 회전자 자극의 반경 (a'／rs(이미지참조) : 0.15~0.5) 301

그림 12.24. 고정자의 개구형 슬롯으로 인한 자속변동 302

그림 12.25. 전기자 권선의 단절권으로 인한 고조파의 감소 304

그림 14.1. Bg만 증가 317

그림 14.2. ac만 증가 317

그림 14.3. 같은 양의 Bg와 ac 증가 317

그림 14.4. 고정자 코일 열 회로 320

그림 14.5. 열 전달에 의한 온도상승 분포 비율 322

그림 14.6. 고정자 절연 기술에 의한 온도상승 분포 변화 a) 기준 발전기 b) 30% 절연 두께 감소 c) epoxy 함침 d) duct폭 감소와 duct수 증가 e) b)∼d)의 절연 기술 종합(종함) 323

그림 14.7. 회전자 코일 열회로 325

그림 14.8. 회전자 표면에서의 열방산 326

그림 14.9. 회전자 pole사이의 2차 유동 326

그림 14.10. 회전자 절연기술에 의한 온도상승 분포 변화 a) 기준 발전기 b) epoxy 함침 c) fin에 의한 개선 d) 냉각통풍 개선 e) b)∼d)의 절연기술 종합 328

그림 14.11. 냉각통풍의 유동 분포 329

그림 14.12. 유동 회로 모델 330

그림 14.13. 유동 회로망 330

그림 15.1. 해석모델 339

그림 15.2. 요소분할도 340

그림 15.3. 무부하시 자속분포 341

그림 15.4. 무부하시 자속밀도분포 342

그림 15.5. 무부하시 공극자속 밀도분포 343

그림 15.6. 1 Slot Pitch 이동시 자속분포 344

그림 15.7. 1 Slot Pitch 이동시 자속밀도분포 345

그림 15.8. 100% 부하시 자속분포 346

그림 15.9. 100% 부하시 자속밀도분포 347

그림 15.10. 100% 부하시 공극자속밀도분포 348

사진 5.1. 개량된 냉각풍로[원문불량;p.69] 71

사진 5.2. 개량된 FAN과 회전자 조립[원문불량;p.74] 76

사진 5.3. 개선된 Rotor의 형상[원문불량;p.104] 106

사진 5.4. 상용발전기의 전경 108

사진 7.1. VPI된 고정자 조립 전경 153

사진 7.2. 상용발전기 시험장면 163