동기기의 구조와 분류

Synchronous Machine Structure

동기기는 전원 주파수와 회전 속도가 Ns=120f/p로 묶인 기계예요. 실용 기는 대개 회전계자형이라 대전류 전기자는 고정하고 작은 계자 전류만 슬립링으로 공급해요. 돌극형은 저속 다극 수차, 원통형은 고속 터빈 발전기에 맞춰져 있어요. 극수 슬라이더와 돌극·원통 전환으로 회전자 구조와 동기속도 관계를 확인해 봐요.

동기기란 무엇인가?

⚡ 동기(同期)의 의미

동기기는 '전원 주파수와 회전 속도가 정확히 일치'하는 기계이다.

①자동차에 비유하면, 엔진 RPM이 변속기 기어비에 의해 정확히 결정되는 것과 같다.

②회전 속도 Ns = 120f / p [rpm]으로, 주파수(f)와 극수(p)가 정해지면 속도가 딱 고정된다.

③발전소의 대형 발전기는 거의 모두 동기발전기이다.

돌극형 vs 원통형

극수 p4

🔧 돌극형 (Salient Pole)

극이 회전자 표면에서 돌출된 형태이다.

①수력발전기처럼 저속·다극(p=12~80) 기계에 사용

②직경이 크고 축방향 길이가 짧은 '납작한 원통형' 형상

③극 사이 공극이 불균일 → 직축/횡축 리액턴스가 다르다 (Xd ≠ Xq)

왜 회전계자형을 쓰는가

🔄 회전계자형 vs 회전전기자형

대부분의 실용 동기기는 '계자(자석)가 회전'하고 '전기자(코일)는 고정'이다.

①이유 1: 전기자 전류는 대용량(고전압·대전류) → 슬립링으로 빼내기 어려움

②이유 2: 계자 전류는 소용량 직류 → 슬립링 2개만으로 충분

③이유 3: 고정자에 3상 권선을 배치하면 절연·냉각이 쉬움

회전전기자형

전기자 회전, 계자 고정

소형기에만 사용 (고압 취출 곤란)

회전계자형

계자 회전, 전기자 고정

실용 동기기의 표준 구조

동기속도 공식

동기속도

N_s = 120fp [rpm]

Ns: 동기속도, f: 전원 주파수 [Hz], p: 극수

f = 60Hz, p = 4극 일 때

Ns = 120 × 60 / 4 = 1800 rpm

주파수 역산

f = pN_s120 [Hz]

극수가 많으면 저속으로도 같은 주파수 생성

시험 정리

동기속도

N_s = 120fp

핵심 공식

돌극형

X_d ≠ X_q

리액턴스 불균일

원통형

X_d ≈ X_q

리액턴스 균일

주파수 역산

f = pN_s120

속도→주파수

📝 시험 포인트

①동기속도 공식에서 p는 '극수'(극쌍수 아님!)에 주의. p=4면 2쌍

②회전계자형을 쓰는 이유 3가지: 절연 용이, 슬립링 감소, 냉각 유리

③돌극형은 수차발전기(저속·다극), 원통형은 터빈발전기(고속·소극수)

④60Hz 기준: 2극→3600rpm, 4극→1800rpm, 6극→1200rpm

⑤원통형은 기계적 강도가 높아 고속 회전에 적합 (원심력에 강함)

⑥매극매상 슬롯수 q = 총슬롯수 / (극수 × 상수)

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 60Hz, 4극 동기발전기의 동기속도는? (답: Ns = 120×60/4 = 1800rpm)

②[기출유형] 회전계자형을 사용하는 이유가 아닌 것은? (답: 기전력 증가. 이유가 아님)

③[기출유형] 수차발전기에 적합한 회전자 형식은? (답: 돌극형. 저속 다극에 적합)