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전기기사 전기기기 · 동기전동기의 원리와 특성

Synchronous Motor — Principle, Starting & Hunting

동기전동기의 회전자는 고정자가 만든 회전자계를 같은 속도로 따라 돌고, 부하가 걸린 만큼 부하각 δ 만큼 뒤처진다. 토크는 sinδ 에 비례해 90° 에서 가장 크고, 그보다 더 뒤처지면 동기에서 벗어나는 탈조가 일어난다. 멈춘 상태에서는 평균 토크가 0 이라 스스로 기동하지 못하고, 동기점 둘레의 흔들림인 난조는 제동권선이 잡아 줘요. 부하각 슬라이더를 움직이면 회전자가 회전자계 뒤로 처지는 각과 P-δ 곡선 위의 운전점이 함께 움직여요.

동기전동기의 원리

🧲 회전자계에 끌려 도는 전자석
고정자에 삼상 전류를 흘리면 회전자계가 생긴다.
①회전자에 직류 여자를 걸면 회전자가 전자석이 된다.
②이 전자석은 회전자계에 끌려 같은 속도로 돌지만, 부하가 걸리면 그만큼 조금 뒤처져요.
③뒤처진 각이 부하각 δ 이고, 부하가 클수록 δ 가 커진다.
발전기 전압방정식
E = V + Ia Zs (E가 V를 앞섬)
발전기는 전류를 내보낸다.
전동기 전압방정식
V = E + Ia Zs (V가 E를 앞섬)
전동기는 전류를 받아들이므로 전류 방향이 반대예요.

부하각과 토크

30°
🔍 그림 읽는 법
δ 를 키우면 토크(T ∝ sinδ)가 커지다가 90° 에서 가장 크다.
①90° 를 넘기면 δ 가 커질수록 토크가 오히려 줄어, 부하를 버티지 못하고 동기에서 벗어난다(탈조).
②그래서 실제 운전에서는 δ 를 20~40° 쯤에 두고 여유를 남겨요.
출력과 토크
P = EVXs sinδ, T = Pωs
원통형 회전자에서는 출력과 토크 모두 sinδ 에 비례해 90° 에서 가장 크다.

기동법

⚠️ 동기전동기는 스스로 기동하지 못한다
멈춘 회전자 앞에서 회전자계는 이미 동기속도로 돈다.
①회전자계의 극이 반 주기마다 회전자 극을 끌었다 밀었다 해서 평균 토크가 0 이 된다.
②회전자는 관성 때문에 그 짧은 사이에 따라붙지 못하므로, 동기속도 가까이까지 끌어올리는 기동 방법이 따로 있어야 해요.
🔧 제동권선법(가장 흔함)
회전자 극면에 농형 도체(제동권선)를 단다.
①유도전동기처럼 기동해 동기속도 가까이 올라가면 직류 여자를 걸어 동기로 끌어들인다.
②가장 널리 쓰이고, 운전 중에는 난조를 막는 역할도 해요.

난조

난조
난조 = 부하각(δ)의 진동 현상
부하가 갑자기 바뀌거나 투입할 때 충격을 받으면 회전자가 동기 위치를 중심으로 앞뒤로 흔들린다.
🌊 난조의 원인과 막는 법
원인은 원동기나 부하의 토크 맥동, 너무 예민한 조속기, 토크에 섞인 고조파, 그리고 전기자 회로의 큰 저항이다.
①부하각 δ 가 새 평형점을 지나치고 되돌아오기를 되풀이하는 것이 난조이다.
②막는 법:
③
• 제동권선을 단다. 흔들릴 때 생기는 유도전류가 흔들림을 눌러요.
④
• 플라이휠을 달아 관성 모멘트(GD²)를 키운다.
⑤
• 조속기를 너무 예민하지 않게 맞추고, 고조파 토크를 줄인다.

시험 정리

전동기 전압방정식
V = E + IaZs
발전기와 Ia Zs 의 부호가 반대
출력
P = EVXssinδ
δ < 90° 에서 안정
자기 기동 불가
별도 기동법 필수
평균 토크 = 0
제동권선
기동 + 난조 방지
기동과 난조 방지를 함께 맡음(가장 흔함)
📝 시험 포인트
①동기전동기 전압방정식은 V = E + IaZs 로, 발전기와 Ia Zs 의 부호가 반대이다.
②P = (EV/Xs) sinδ 이고 최대 토크는 δ=90° 에서 나온다. 그보다 크면 탈조한다.
③스스로 기동하지 못하며, 가장 흔한 기동법은 제동권선으로 유도기처럼 기동하는 것이에요.
④난조 방지는 제동권선, 플라이휠(GD²↑), 너무 예민하지 않은 조속기이다. 전기자 회로 저항이 크면 오히려 난조의 원인이 된다.
⑤속도가 동기속도(Ns = 120f/p)로 일정해, 부하가 바뀌어도 속도가 그대로라는 것이 가장 큰 장점이에요.
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 동기전동기가 스스로 기동하지 못하는 이유는? (답: 멈춘 회전자에 회전자계의 극이 반 주기마다 끌었다 밀었다 해서 평균 토크가 0)
②[기출유형] 동기기의 난조를 막는 데 가장 효과적인 것은? (답: 회전자 극면에 제동권선을 단다)
③[기출유형] 동기전동기의 부하각이 90° 를 넘으면? (답: 탈조. 동기속도를 유지하지 못한다)
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