MC-D3 · 동기전동기·역률

동기전동기의 부하각과 역률 조정

동기전동기는 토크와 역률을 따로 쥘 수 있는 드문 기계다. 부하를 고정한 채 계자 여자를 바꾸면 전기자 전류의 역률이 어디로 가는지, 직접 옮겨 본다.

과여자로 여자를 키우면 역률은 어디로

부하(축에 거는 유효전력)가 정해지면 전기자 전류의 유효분은 고정이다. 그런데 계자 여자로 내부 기전력 E의 크기를 바꾸면 전류의 무효분이 바뀐다. 여자 슬라이더를 밀어 페이저에서 전류 I가 단자전압 V보다 뒤지는지 앞서는지 보라. 여자를 키우면(과여자) 역률은 어디로 갈까.

계자 여자 |E||E| = 0.60

슬라이더로 여자를 연속으로 바꾼다(부하 고정). 금색 = V, 초록 = E, 구리 = I.

역률과 전기자 전류

pf = 0.53 (지상) · |I| = 1.13

과여자에서는 전류가 지상이 아니다. 지상은 부족여자일 때다. 여자가 모자라면 전동기가 계통에서 뒤진 전류를 끌어 무효전력을 흡수한다. 여자를 키우면 반대로 간다.

과여자면 역률은?

어긋남

회전자가 회전자계에 물려 끌려간다

동기전동기는 고정자 회전자계와 직류로 여자된 회전자(자석)가 자기적으로 맞물려 함께 동기속도로 돈다. 유도기와 달리 슬립이 없다. 부하가 걸리면 회전자가 회전자계보다 부하각 δ만큼 뒤로 처지지만 속도는 그대로다. 토크는 이 부하각으로 정해져 T ∝ (V E / Xs) sin δ다. 부하가 커지면 δ가 커져 토크가 늘지만, δ가 90°를 넘으면 자기적 맞물림이 풀려 동기를 잃는다(탈조). 그래서 동기전동기는 스스로 기동하지 못하고 별도의 기동이 필요하다.

관찰T ∝ (VEXs) sin δ

토크는 부하각의 사인에 비례한다.

고르기pull-out: δ = ?

부하각이 90°를 넘으면 동기를 잃는다(탈조).

여자로 무효전력을 사고판다

부하가 정해지면 전동기가 흡수하는 유효전력이 정해지고, 그것은 전기자 전류 중 단자전압과 동상인 유효분에 대응한다. 이 유효분은 여자를 바꿔도 그대로다. 그러나 계자 여자로 내부 기전력 E의 크기를 바꾸면 전류의 무효분이 바뀐다. 부족여자(E가 작음)면 전동기가 계통에서 지상 전류를 끌어 무효전력을 흡수하고, 과여자(E가 큼)면 진상 전류를 흘려 무효전력을 공급한다. 여자가 딱 맞는 한 점에서 무효분이 0이 되어 역률 1, 전기자 전류가 최소가 된다. 유효전력은 부하각이, 무효전력은 여자가 따로 쥔다.

빈칸과여자 → I: ?

여자를 바꾸면 무효 전류분이 바뀐다.

동기조상기로 역률을 고친다

이 성질을 그대로 쓴 것이 동기조상기다. 축에 거의 부하를 걸지 않고 도는 동기전동기를 과여자로 운전하면, 계통에 진상 무효전력을 공급해 역률을 개선한다. 마치 거대한 콘덴서처럼 작동하는 셈이다. 반대로 부족여자로 운전하면 지상 무효전력을 흡수해, 경부하 시 장거리 송전선이 일으키는 과전압을 누른다. 보통의 부하 전동기도 과여자로 돌리면 같은 일을 하므로, 공장에서 동기전동기는 동력을 내면서 공장 전체의 역률까지 개선하는 일석이조의 기계가 된다.

스스로무부하 과여자 = ?

무부하 과여자 운전은 동기조상기다.

첫 화면으로 돌아가서

여자를 키우자 역률이 진상으로 옮겨 갔다. 부하가 정한 유효전력은 전기자 전류의 유효분으로 고정되어 있어 토크를 바꾸지 않았지만, 계자 여자가 내부 기전력 E의 크기를 바꿔 전류의 무효분을 움직였기 때문이다. 부족여자면 지상으로 무효전력을 흡수하고, 과여자면 진상으로 공급하며, 딱 맞으면 역률 1에 전기자 전류가 최소다. 토크는 부하각이, 역률은 여자가 따로 쥐는 이 분리가 동기전동기의 특별함이다. 무부하로 과여자해 돌리면 그대로 역률을 고치는 동기조상기가 된다. 발전기에서 본 E = V + jIXs가 전동기에서는 토크와 역률을 한꺼번에 다루는 손잡이로 돌아온다.

동기전동기: 회전자가 회전자계에 물려 동기속도로 돌고, 토크는 부하각으로 T ∝ (VE/Xs)sinδ (δ>90°면 탈조). 부하(유효전력)를 고정한 채 계자 여자로 역률을 조정한다. 부족여자=지상(무효전력 흡수), 과여자=진상(무효전력 공급), 딱 맞으면 역률 1·전류 최소. 무부하 과여자 운전이 동기조상기다.

이 조정을 손에 쥐면

여자로 역률을 옮긴다는 사실을 한 장의 그림으로 그리면, 가로축 계자 전류에 대해 세로축 전기자 전류가 그리는 V자 곡선이 나온다. 골짜기가 역률 1, 왼쪽이 부족여자(지상), 오른쪽이 과여자(진상)다. 부하가 커질수록 곡선 전체가 위로 올라간다. 다음 유닛은 이 V곡선으로 역률 조정을 정량화하고, 부하각이 어디까지 버티는지 안정도(탈조 한계)를 함께 본다(MC-D4).