동기기 전기자반작용

왜 배우는가: 동기기의 전기자 반작용은 발전기와 전동기, 동기조상기의 전압·무효전력 제어 원리를 함께 설명하는 기초 개념이다. 부하 역률에 따라 계자를 강하게 하거나 약하게 하는 현상이 달라서 발전기 전압 변동, 자기여자, 역률 조정 문제를 풀 때 반복해서 쓰인다. 기술사 시험에서 1교시 용어와 2~4교시 논술이 모두 이 개념을 묻는다.

출제 이력: 제126회 1교시 5번, 제115회 1교시 7번, 제110회 2교시 2번, 제96회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

동기기의 전기자 반작용은 전기자 전류가 만드는 자속이 주자속(계자 자속)에 영향을 주는 현상이며, 부하 역률에 따라 계자를 강화하거나 약화시킨다.

• 전기자 반작용(Armature Reaction)
• 전기자 전류와 계자 자속의 상호작용
• 횡축 반작용(교차 자화, 저항 부하·역률 1)
• 직축 반작용(감자·증자, 진상·지상 부하)
• 동기임피던스와 전기자 누설리액턴스
• 동기조상기(무효전력 조정)
• 자기여자(진상 충전전류에 의한 전압 상승)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 발전기 코일에 전류가 흐르면 그 전류가 만든 자기장이 원래 계자 자기장을 밀거나 당긴다. 이 간섭이 전기자 반작용이다. 발전기 전기자는 고정자에 있고 계자는 회전자에 있으므로, 전기자 전류가 만드는 자속은 회전자와 같은 속도로 돌면서 계자 자속과 만난다.

정식 정의는 다음과 같다. 전기자 반작용은 전기자 권선에 흐르는 부하전류에 의해 생긴 전기자 기자력이 계자 기자력에 작용하여 공극 자속의 크기와 분포를 바꾸는 현상이다. 이 현상으로 공극 기전력이 단자전압과 달라진다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

• 횡축 반작용: 전기자 기자력이 계자 축에 직각으로 작용한다. 공극 자속의 분포를 한쪽으로 찌그러뜨리는 교차 자화로 작용한다. 역률 1 부하에서 주로 나타난다.
• 직축 반작용: 전기자 기자력이 계자 축과 같은 방향으로 작용한다. 지상 부하에서는 계자를 약하게 하는 감자 작용, 진상 부하에서는 계자를 강하게 하는 증자 작용이 된다.
• 동기임피던스: 전기자 반작용 리액턴스와 전기자 누설리액턴스를 합친 값으로, 반작용의 결과를 등가 회로에서 하나의 임피던스로 표현한 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

동기기가 대용량 전력 공급원이 되면서 부하 전류가 커졌고, 그에 따라 전기자 반작용의 영향도 커졌다. 전압이 부하에 따라 크게 변하면 계통 운전과 보호 협조가 어려워진다. 그래서 전기자 반작용의 방향과 크기를 예측하여 전압 변동률과 여자 제어 방식을 정하는 것이 필요해졌다.

전기자 반작용은 발전기에서만 문제가 되는 것이 아니다. 동기전동기는 같은 원리로 역률을 조정할 수 있어서, 과여자 운전 시 진상 전류를 공급하는 동기조상기로 쓰인다. 장거리 송전선로에서는 진상 충전전류가 계자를 강화하여 전압이 상승하는 자기여자 현상이 나타난다. 이런 이유로 전기자 반작용은 송전 전압 제어와 무효전력 관리의 기초 개념으로 시험에 반복 출제된다.

참고로, 이 현상을 다루는 기초 이론은 직류기의 전기자 반작용과 같은 틀에서 출발한다. 다만 동기기는 전기자가 고정자에 있고 교류 전류가 흐르므로 공극 기자력이 회전하며, 그 회전 방향과 계자 회전 방향의 관계로 역률에 따른 작용이 달라진다.

4. 구성요소·원리·절차

동기기의 전기자 반작용은 전기자 전류가 만드는 자속(전기자 반작용 자속)이 계자가 만드는 주자속에 영향을 주는 현상이다. 이 작용의 크기와 방향은 부하 전류의 크기와 역률각에 따라 결정된다. 구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.