동기전동기의 부하각과 역률 조정

과여자로 여자를 키우면 역률은 어디로

축에 걸린 부하, 곧 유효전력이 정해지면 전기자 전류의 유효분은 고정된다. 그런데 계자 여자로 내부 기전력 E의 크기를 바꾸면 전류의 무효분이 달라지고, 페이저에서 전류 I가 단자전압 V보다 뒤지는지 앞서는지도 바뀐다. 여자를 키우면(과여자) 역률이 어느 쪽으로 갈지 먼저 고른 다음 슬라이더를 밀어 확인해요.

회전자가 회전자계에 물려 끌려간다

동기전동기에서는 고정자의 회전자계와 직류로 여자한 회전자(자석)가 자기적으로 맞물려 함께 동기속도로 돈다. 유도기와 달리 슬립이 없어서, 부하가 걸리면 회전자가 회전자계보다 부하각 δ만큼 뒤로 처질 뿐 속도는 그대로예요. 토크는 이 부하각으로 정해져 T ∝ (V E / Xs) sin δ이고, 부하가 커지면 δ가 커지며 토크가 늘지만 δ가 90°를 넘으면 맞물림이 풀려 동기를 잃는다(탈조). 또 정지한 회전자는 동기속도로 도는 자계에 따라붙지 못해 스스로 기동하지 못하므로, 회전자에 단 제동권선으로 유도기처럼 기동하거나 인버터로 낮은 주파수부터 올려 기동해요.

여자로 무효전력을 사고판다

부하가 정해지면 전동기가 흡수하는 유효전력이 정해지고, 이는 전기자 전류 가운데 단자전압과 같은 위상인 유효분에 해당하므로 여자를 바꿔도 그대로다. 그러나 계자 여자로 내부 기전력 E의 크기를 바꾸면 전류의 무효분이 바뀐다. 부족여자(E가 작음)면 전동기가 계통에서 지상 전류를 끌어와 무효전력을 흡수하고, 과여자(E가 큼)면 진상 전류를 흘려 무효전력을 공급해요. 여자가 딱 맞는 한 점에서 무효분이 0이 되어 역률 1이 되고 전기자 전류도 가장 작아진다. 유효전력은 부하각이, 무효전력은 여자가 나눠 맡는 셈이에요.

동기조상기로 역률을 고친다

이 성질을 그대로 쓴 기계가 동기조상기다. 축에 거의 부하를 걸지 않고 도는 동기전동기를 과여자로 운전하면 계통에 진상 무효전력을 공급해 역률을 개선하니, 거대한 콘덴서처럼 움직이는 셈이다. 반대로 부족여자로 운전하면 지상 무효전력을 흡수해, 경부하 때 장거리 송전선의 정전용량이 일으키는 전압 상승(페란티 현상)을 누른다. 콘덴서와 달리 여자 하나로 공급과 흡수 사이를 연속으로 오갈 수 있다는 점이 장점이에요. 부하를 건 보통의 동기전동기도 과여자로 돌리면 같은 일을 하므로, 공장에서는 동력을 내면서 공장 전체의 역률까지 개선하는 데 쓰인다.

첫 화면으로 돌아가서

여자를 키우자 역률이 진상으로 옮겨 갔다. 부하가 정한 유효전력은 전기자 전류의 유효분으로 고정되어 토크는 그대로였지만, 계자 여자가 내부 기전력 E의 크기를 바꿔 전류의 무효분을 움직였기 때문이에요. 부족여자면 지상 전류로 무효전력을 흡수하고 과여자면 진상 전류로 공급하며, 딱 맞으면 역률 1에서 전기자 전류가 가장 작다. 토크는 부하각이, 역률은 여자가 따로 쥐는 이 분리가 동기전동기를 특별하게 만들고, 무부하로 과여자해 돌리면 그대로 역률을 고치는 동기조상기가 된다. 발전기에서 본 E = V + jIXs가 전동기에서는 전류 방향을 거꾸로 잡아 jIXs를 빼는 꼴로 바뀌고, 토크와 역률을 한꺼번에 다루는 손잡이가 돼요.

여자로 역률을 옮긴다는 사실을 그림 한 장에 담으면, 가로축 계자 전류에 대해 세로축 전기자 전류가 V자 곡선을 그린다. 골짜기가 역률 1이고 왼쪽이 부족여자(지상), 오른쪽이 과여자(진상)이며, 부하가 커질수록 곡선 전체가 위로 올라가요. 다음 유닛(MC-D4)은 이 V곡선으로 역률 조정을 수로 다루고, 부하각이 어디까지 버티는지를 정하는 안정도(탈조 한계)를 함께 따져요.