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동기전동기의 원리와 특성

Synchronous Motor — Principle, Starting & Hunting

동기전동기의 원리
🧲 자석이 자석을 끌고 간다!
고정자에 3상 전류를 넣으면 회전자계가 만들어진다.
①회전자에 직류 여자를 걸면 전자석이 된다.
②이 전자석이 회전자계를 '따라가며' 돌지만, 부하가 있으면 약간 뒤처진다.
③이 뒤처진 각도가 바로 부하각(δ) — 부하가 클수록 δ가 커진다.
발전기 전압방정식
E = V + Ia Zs (E가 V를 앞섬)
발전기는 전기를 '내보냄'
전동기 전압방정식
V = E + Ia Zs (V가 E를 앞섬)
전동기는 전기를 '받음' — 전류 방향 반대!
부하각과 토크
30°

동기전동기 동작 애니메이션과 출력-부하각(P-δ) 곡선

🔍 관찰 포인트
δ를 키우면 토크(T ∝ sinδ)가 올라가다가 90°에서 최대!
①90° 넘기면 토크가 줄어 → 동기 이탈(탈조) 발생
②실제 운전은 δ = 20~40° 범위가 안전 영역
출력과 토크
P = EVXs sinδ, T = Pωs
출력과 토크 모두 sinδ에 비례 — 90°에서 최대
기동법 (Starting Methods)
⚠️ 동기전동기는 스스로 기동할 수 없다!
정지 상태에서 회전자계는 빠르게 돌지만, 회전자 관성이 커서 따라잡지 못한다.
①회전자계 N극이 회전자 N극을 끌어당기기도 전에 밀어내기도 하여 → 평균 토크 = 0
②따라서 별도의 기동 방법이 반드시 필요하다.
🔧 제동권선법 (가장 일반적)
회전자 극면에 농형 도체(제동권선, damper winding)를 설치한다.
①유도전동기 원리로 기동 → 동기속도 근처에서 여자 투입 → 동기 진입
②가장 널리 쓰이는 방법이며, 난조 방지 효과도 있다.
난조 (Hunting)
난조
난조 = 부하각(δ)의 진동 현상
부하 변동이나 투입 충격으로 회전자가 동기 위치 주위를 왕복 진동
🌊 난조의 원인과 방지
원인: 원동기 토크의 맥동, 부하 급변, 병렬투입 시 충격
①그네 비유: 동기 위치를 중심으로 좌우로 흔들리는 것
②방지 대책:
③
• 제동권선(damper winding) 설치 → 진동 시 유도전류로 제동
④
• 플라이휠 효과 증대 → 관성 모멘트(GD²) 크게
⑤
• 전기자 저항 증대 → 감쇠력 증가
시험 정리
전동기 전압방정식
V = E + IaZs
발전기와 부호 반대
출력
P = EVXssinδ
δ<90° 안정
자기 기동 불가
별도 기동법 필수
평균 토크 = 0
제동권선
기동 + 난조 방지
겸용 (가장 일반적)
📝 시험 포인트
①동기전동기 전압방정식: V = E + IaZs (발전기와 부호 반대!)
②P = (EV/Xs) sinδ — 최대 토크는 δ=90°에서, 그 이상은 탈조
③자기 기동 불가 → 가장 흔한 기동법은 제동권선법(유도기동)
④난조 방지: 제동권선, 플라이휠(GD²↑), 전기자 저항↑
⑤동기속도 일정(Ns = 120f/p) → 부하 변해도 속도 불변이 최대 장점
📝 대표 기출문제
①[기출유형] 동기전동기가 자기 기동할 수 없는 이유는? (답: 정지 시 회전자계가 빠르게 회전하여 회전자가 따라잡지 못함 — 평균 토크 0)
②[기출유형] 동기전동기의 난조 방지 대책이 아닌 것은? (답: 계자 저항 감소 — 난조 방지와 무관)
③[기출유형] 동기전동기의 부하각이 90°를 넘으면? (답: 탈조(동기 이탈) — 동기속도를 유지할 수 없음)