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전기기사 전기기기 · 동기기의 구조와 분류

Synchronous Machine Structure

동기기는 회전 속도가 전원 주파수에 묶여 Ns = 120f/p 로만 도는 기계다. 실제로 쓰는 동기기는 대개 회전 계자형이라, 큰 전류가 흐르는 전기자는 고정자에 두고 작은 직류 계자 전류만 슬립링으로 회전자에 넣는다. 회전자는 극이 튀어나온 돌극형과 매끈한 원통형으로 나뉘며, 돌극형은 느리게 도는 다극 수차 발전기에, 원통형은 빠르게 도는 터빈 발전기에 맞춰져 있어요. 돌극형 · 원통형 버튼과 극수 슬라이더를 움직이면 회전자 단면의 극 배치가 바뀌고, 아래 상자에서 그 극수의 동기 속도가 바로 계산돼요.

동기기란

⚡ 동기(同期)의 뜻
동기기는 회전 속도가 전원 주파수에 꼭 맞춰 도는 기계다.
①회전 속도는 Ns = 120f/p [rpm] 이라 주파수 f 와 극수 p 가 정해지면 속도도 하나로 정해진다.
②부하가 바뀌어도 속도는 그대로이고, 바뀌는 것은 회전자와 회전 자계 사이의 각도뿐이다.
③발전소의 큰 발전기는 거의 모두 동기 발전기예요.

돌극형과 원통형

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🔧 돌극형(Salient Pole)
극이 회전자 표면에서 튀어나온 꼴이다.
①수력 발전기처럼 느리게 도는 다극(p = 12 ~ 80) 기계에 쓴다.
②지름이 크고 축 방향 길이가 짧은 납작한 모양이다.
③극 쪽과 극 사이의 공극이 달라서 직축과 횡축 리액턴스도 달라져요(Xd ≠ Xq).

회전 계자형을 쓰는 까닭

🔄 회전 계자형과 회전 전기자형
실제 동기기는 대부분 계자가 돌고 전기자는 멈춰 있다.
①전기자 전류는 고전압 · 대전류라 슬립링으로 꺼내기 어렵다.
②계자 전류는 작은 직류라 슬립링 두 개면 충분하다.
③고정자에 삼상 권선을 두면 절연과 냉각이 쉬워요.
회전 전기자형
전기자가 돌고 계자는 멈춤
고전압을 꺼내기 어려워 소형에만 쓴다
회전 계자형
계자가 돌고 전기자는 멈춤
실제 동기기의 표준 구조

동기 속도 식

동기 속도
Ns = 120fp [rpm]
Ns: 동기 속도, f: 전원 주파수 [Hz], p: 극수
f = 60Hz, p = 4극 일 때
Ns = 120 × 60 / 4 = 1800 rpm
주파수로 되짚기
f = pNs120 [Hz]
극수가 많으면 느리게 돌아도 같은 주파수를 내요

시험 정리

동기 속도
Ns = 120fp
핵심 식
돌극형
Xd ≠ Xq
리액턴스가 축마다 다름
원통형
Xd ≈ Xq
리액턴스가 거의 같음
주파수로 되짚기
f = pNs120
속도 → 주파수
📝 시험 포인트
①동기 속도 식의 p 는 극수다(극쌍 수가 아니다). 4 극이면 극쌍은 2 개다
②회전 계자형을 쓰는 이유는 절연이 쉽고, 슬립링이 적게 들고, 냉각이 유리하기 때문이다
③돌극형은 수차 발전기(저속 · 다극), 원통형은 터빈 발전기(고속 · 소극수)다
④60 Hz 에서 2 극은 3600 rpm, 4 극은 1800 rpm, 6 극은 1200 rpm 이다
⑤원통형은 원심력에 강해 고속 회전에 알맞다
⑥매극 매상 슬롯 수는 q = 총 슬롯 수/(극수 × 상수)로 셈해요
📝 대표 기출 유형
①[동기 속도] 60 Hz, 4 극 동기 발전기 → Ns = 120 × 60/4 = 1800 rpm
②[회전 계자형] 회전 계자형을 쓰는 이유가 아닌 것 → 「기전력이 커진다」(구조를 바꿔도 기전력은 늘지 않음)
③[수차 발전기] 수차 발전기에 알맞은 회전자 형식 → 느리게 도는 다극에 맞는 돌극형이에요
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동기발전기의 유기기전력

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