동기전동기 운전특성

왜 배우는가: 동기전동기는 속도가 부하와 무관하게 일정하고 역률을 조정할 수 있어 대용량 펌프·압축기 구동에 널리 쓰인다. 기동토크가 작고 난조와 탈조가 생기기 쉬우므로, 이 문제는 기술사 시험에서 기동법·안정운전·V곡선과 함께 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제131회 2교시 2번, 제128회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

동기전동기는 회전자가 고정자의 회전자계와 같은 속도(동기속도)로 회전하는 교류전동기로, 직류 계자에 의한 자극과 회전자계가 흡인하여 토크를 발생한다.

• 동기속도(synchronous speed)
• 회전자계(rotating magnetic field)
• 계자(field winding, 직류 여자)
• 제동권선(damper winding, 난조 방지·기동용 농형 권선)
• 난조(hunting)·탈조(pull-out, 脫調)
• 탈출토크(pull-out torque)
• V곡선(위상특성곡선, V curve)
• 역률(power factor)과 전기자 전류

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 고정자에 3상 교류를 넣어 만든 회전자계를 회전자가 자석처럼 따라 도는 기계다. 회전자는 직류로 여자되어 자극을 가지고, 고정자의 회전자계와 자극이 서로 끌어당겨 같은 속도로 돈다.

정식 정의는 다음과 같다. 동기속도는 고정자 권선이 만드는 회전자계의 회전속도이며, 극수 p와 전원 주파수 f로 N_s = \dfrac{120f}{p} [rpm]이다. 여기서 f는 전원 주파수 [Hz], p는 극수다. 회전자는 부하에 관계없이 이 속도를 유지한다.

동기속도 는 교류 회전기의 기준 속도이며, 부하가 바뀌어도 변하지 않는다. 이것이 동기전동기의 가장 큰 특징이다.

회전자계 는 3상 전류가 만드는 자계의 합성이며 크기가 일정하고 원을 그리며 회전한다.

계자 는 회전자에 감은 직류 권선이다. 계자 전류를 바꾸면 자극의 세기가 변하고, 이로 인해 역률과 전기자 전류가 달라진다.

제동권선 은 회전자 표면의 농형 권선이다. 기동토크를 만들고, 속도 변동을 줄여 난조를 억제한다.

난조 는 부하 변동이나 외란으로 회전자가 동기속도 주위에서 진동하는 현상이다. 탈조 는 부하가 탈출토크를 넘어 회전자가 동기에서 벗어나 정지하는 현상이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 발전기는 증기기관으로 직결 구동되어 토크가 맥동했다. 이 맥동 토크 때문에 회전자가 동기속도 주위에서 흔들리는 난조가 생겼고, 이를 막기 위해 제동권선이 도입되었다. 제동권선은 Leblanc와 Lamme가 발명한 것으로 알려져 있다.

전동기 쪽에서는 정속 운전과 역률 개선 요구가 커지면서 동기전동기가 쓰였다. 유도전동기는 슬립이 있어 속도가 부하에 따라 변하고 역률이 늦다. 반면 동기전동기는 계자 전류로 역률을 진상으로도 조정할 수 있다.

그러나 동기전동기는 정지 상태에서 고정자에 교류만 걸면 기동하지 못한다. 회전자계가 빠르게 지나가 회전자가 한 방향으로 가속되지 못하기 때문이다. 따라서 기동방법과 기동 중 토크 특성을 이해하는 것이 필요하다.

동기속도 N_s = 120f/p 는 모든 동기기의 기본 관계식이다.

4. 구성요소·원리·절차

동기전동기는 고정자 회전자계와 회전자 자계가 같은 속도로 맞물려 도는 기계다. 구성요소와 그 역할을 먼저 나누어 알아 두면 기동과 운전 특성을 한 번에 설명할 수 있다.

제동권선은 회전자 표면에 바를 넣고 양 끝을 단락한 구조다. 유도전동기의 농형 회전자와 거의 같은 모양이다. 제동권선은 기동토크를 만들고 속도 변동을 줄이는 두 역할을 한다. 동기전동기는 동기속도에서만 일정한 평균 토크를 내므로 기동 시에는 제동권선의 유도 토크를 이용한다. 동기속도에 가까워지면 계자를 여자해 자극을 맞물린다.

동기전동기의 원리는 다음과 같다. 고정자 권선에 평형 3상 전압을 가하면 회전자계가 생긴다. 회전자 계자에 직류를 흘리면 고정 자계가 생긴다. 두 자계가 서로 끌어당기며 회전자가 회전자계와 같은 속도로 돈다. 이때 회전 속도는 극수에 반비례하고 주파수에 비례한다.

$N_s = \frac{120f}{p}$

N_s는 동기속도(rpm), f는 전원 주파수(Hz), p는 극수다. 예를 들어 60Hz, 4극이면 N_s = 120 \times 60 / 4 = 1800rpm이다. 결과는 4극 기기의 일반적인 동기속도 범위(1800rpm)와 맞다.

동기전동기 기동 절차는 다음과 같다.

• 계자 회로를 개방하고 고정자에 3상 전압을 인가한다.
• 제동권선이 농형 회전자 역할을 하여 유도 토크로 동기속도 근처까지 가속한다.
• 슬립이 작아지면 직류 여자기로 계자 권선에 직류를 공급한다.
• 회전자 자극이 회전자계에 끌려 들어가며(인입) 동기속도에 도달한다.
• 여자 전류를 조정해 운전 역률을 정한다.

기동토크는 제동권선의 유도 토크로 얻고, 동기 인입은 계자 여자 후에 이루어진다.

기동 방식은 제동권선 기동이 가장 많이 쓰인다. 그 밖에 기동용 권선형 방식, 기동용 보조전동기 방식, 저주파 기동 방식이 있다. 저주파 기동은 저전압·저주파로 시작해 주파수를 서서히 올려 동기화하는 방식이다.

5. 관련 법령·기준·표준

동기전동기 운전 특성에 대해 직접 적용되는 법령 조문은 없다. 대신 설계와 시험에서 쓰는 기준 수치와 규격이 있다. 답안에는 기준 이름과 값을 함께 쓴다.

탈출토크는 정격 주파수와 정상 여자에서 동기속도로 1분간 낼 수 있는 최대 토크다. 이 값이 작으면 부하 변동에서 탈조가 쉽게 생긴다. 역률 1 기준 약 150%, 진상 0.8 기준 약 175~200%가 일반적인 값이다.

기준 체계 측면에서는 전기설비 관련 판단은 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 전동기 자체의 시험·성능 기준은 관련 KS 규격을 참조한다. 다만 이 절에서는 원리와 수치를 중심으로 쓴다.

동기속도, 제동권선, 탈출토크, 인입토크, 직류 여자, 저주파 기동

6. 유형과 비교

동기전동기는 계자 구성과 기동 방식, 그리고 역률 조정 방식에 따라 나눠 본다. 구조상으로는 돌극형(salient-pole)과 원통형(cylindrical-rotor) 회전자로 구분하며, 돌극형은 저속·대용량 설비에, 원통형은 고속 설비에 주로 쓰인다. 기동 방식에서는 제동권선 기동형과 기동용 보조전동기 기동형이 대표적이다.