전기기사 전기기기 · 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. 극수를 바꾸고 돌극·원통을 전환하면 회전자 구조와 동기속도 관계가 보여요.

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)