동기전동기의 원리와 특성

Synchronous Motor — Principle, Starting & Hunting

동기전동기는 회전자계에 회전자 자극이 동기되어 따라가며, 부하는 부하각 δ만큼 뒤처지게 해요. 토크는 sinδ에 비례해 90° 근처에서 최대이고 그 이상이면 탈조하며, 정지 상태에서는 평균 토크가 0이라 별도 기동이 필요해요. 난조는 동기점 주위 흔들림이고 제동권선이 감쇠를 돕아요. 부하각 슬라이더를 움직여 P-δ 곡선과 토크 한계를 눈으로 확인해 봐요.

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 + I_a Z_s (E가 V를 앞섬)

발전기는 전기를 '내보냄'

전동기 전압방정식

V = E + I_a Z_s (V가 E를 앞섬)

전동기는 전기를 '받음': 전류 방향 반대!

부하각과 토크

부하각 δ30°

🔍 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 = EVX_s sinδ, T = Pω_s

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 = EVX_ssinδ

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)