Working of Synchronous Motor - YouTube
동기전동기의 위상 특성 곡선, 흔히 V-곡선(V-Curve)이라고 부르는 건 전기기기나 제어공학에서 자주 등장하는 개념입니다. 먼저 동기 전동기란 무엇인지에 대해 간단하게 설명하고 V곡선과 이 곡선이 무엇을 나타내는지 자세히 알아보도록 하겠습니다.
🔹 동기 전동기란?
동기 전동기는 동기속도로 회전하는 전동기를 말합니다. 동기 전동기는 고정자 3상 권선에 3상 교류를 흘려주면 회전자가 회전하는 방식이며, 회전자측은 3상 유도 전동기와 동일한 구조입니다. 즉 동기 전동기는, 유도 전동기의 회전 자계가 발생하는 원리와 같습니다. 다만, 회전자는 직류 전원으로 여자된 자극을 말합니다.
뭐라는 건지 잘 이해가 안되죠? 아래에서 좀 더 쉽게 설명해보겠습니다.
동기 전동기는 기동 토크가 0입니다. 이건 동기 전동기의 '기동 특성'입니다.
기동 토크가 0이다 = 혼자 돌 수 없다. 는 뜻입니다.
동기 전동기에는 '회전자(자석 역할)'랑 '고정자(회전 자계를 만드는 역할)'이 있습니다.
풀어서 설명하면, 고정자는 마치 자석이 계속 빙글빙글 도는 것처럼 회전하는 자기장(회전 자계)을 만듭니다.
반면 회전자는 처음에는 가만히 있습니다. 즉, 정지 상태에서 -> 갑자기 회전 자계에 맞춰서 돌아가야 하는 상황입니다.
상상해보면,
고정자: 빙글빙글 도는 자석
회전자: 가만히 있는 자석
고정자가 빠르게 도는 동안, 회전자는 자기장에 끌릴 것입니다. 그러나
자석이 돌 때마다 극(N, S)이 계속 바뀌면서 회전자는 "이쪽으로 끌렸다가, 저쪽으로 끌렸다가" 계속 왔다 갔다 하게 될 것입니다.
결국 토크가 왔다 갔다 = 평균적으로 기동 토크가 0.
이는 회전자가 방향을 정하지 못하고 멈춰 있다고 볼 수 있습니다.
※ 동기 전동기는 동기 속도로 돌고 있을 때에만 토크가 발생합니다.
정리하면,
회전 자계가 생겨도, 회전자(자석)는 계속 "양쪽으로 번갈아" 끌리기 때문에 토크가 생기다가도 반대 토크가 생겨서, 결과적으로 평균 토크는 0이 됩니다. 그래서 스스로 돌 수 없다는 것!
🔹 그럼 어떻게 돌리냐?
동기전동기는 혼자 못 도니까, 다른 방법으로 돌려줘야 합니다.
예를 들어 다음과 같은 방법이 있습니다.
1. 유도 전동기법: 동기 전동기에 기동기를 연결하여 기동시키는 방법
기동 전동기로 유도 전동기를 사용할 경우 동기기의 자극수보다 2극 적은 유도기를 사용해야 합니다.
2. 자기동법: 유도 전동기의 2차 권선 역할을 하는 제동권선을 이용하는 방법.
제동권선은 유도 전동기의 회전자 권선과 같이 작용하여 기동 토크를 발생시킴.
3. 요즘은 인버터로 천천히 속도를 올리면서 동기 속도에 도달하게 하기도 합니다.
동기 전동기의 구조, 작동(회전) 원리, 기동 특성에 대해 알아보았으니 다음으로 동기 전동기의 위상 특성 곡선, 다른 말로 V 곡선에 대해 알아보겠습니다.
🔹 V-곡선이란?
부하 일정, 공급 전압이 일정할 때, 즉 출력이 일정할 때 동기전동기의 계자전류(If)와 전기자 전류(Ia)의 관계를 나타낸 그래프입니다. 이 그래프가 영어 알파벳 V자 형태를 띄기 때문에 V-곡선이라고 부릅니다.
- x축: 계자전류 If = 여자 전류
- y축: 전기자 전류 Ia
- cos θ: 위상, 역률
동기전동기의 운전 시 계자 전류(=여자 전류)를 조절하면, 역률(효율과 관련된 지표)이 변합니다. 이를 통해 역률 개선, 전력 손실 최소화, 시스템 안정화 같은 걸 할 수 있어 중요하게 다뤄집니다.
- 부족여자(Under-excitation)
- 여자전류 If 감소
- L, 리액터로 작용 (전기자 전류가 뒤진 전류로 작용) -> 지상 전류 -> 지상 역률
- 과여자(Over-excitation)
- 여자전류 If 증가
- C, 콘덴서로 작용 (전기자 전류가 앞선 전류로 작용) -> 진상 전류 -> 진상 역률
전기자 전류가 최소가 되는 지점 (V 곡선의 최저점)이 역률 (cosθ = 1) 이 최대가 됩니다.
★★★★★ 핵심 내용 정리
1. 과여자 → If↑ → 앞선 역률 → 진상전류 → C 작용
2. 부족여자 → If↓ → 뒤진 역률 → 지상전류 → L 작용
3. If 변화 → 역률 변화, 전기자 전류 증가
4. 역률 cosθ = 1 → 전기자 전류 최소
5. 출력 P1 < P2 < P3
꼭 이해 or 암기하고 넘어가세요 !!
☆ ☆ ☆ 실제 전기기사 필기 기출 문제
문제 1. 동기전동기의 위상특성곡선(V곡선)에 대한 설명으로 옳은 것은?
1. 출력을 일정하게 유지할 때 부하전류와 전기자전류의 관계를 나타낸 곡선
2. 역률을 일정하게 유지할 때 계자전류와 전기자전류의 관계를 나타낸 곡선
3. 계자전류를 일정하게 유지할 때 전기자전류와 출력 사이의 관계를 나타낸 곡선
4. 공급전압 V와 부하가 일정할 때 계자전류의 변화에 대한 전기자전류의 변화를 나타낸 곡선
문제 2. 동기전동기에 일정한 부하를 결고 계자전류를 0A에서부터 계속 증가시킬 때 관련 설명으로 옳은 것은? (단, Ia는 전기자전류이다.)
1. Ia는 증가하다가 감소한다.
2. Ia가 최소일 때 역률이 1이다.
3. Ia가 감소상태일 때 앞선 역률이다.
4. Ia가 증가상태일 때 뒤진 역률이다.
문제 3. 공급전압이 일정하고 역률 1로 운전하고 있는 동기전동기의 여자전류를 감소시키면 어떻게 되는가?
1. 역률은 뒤지고 전기자 전류는 증가한다.
2. 역률은 앞서고 전기자 전류는 감소한다.
3. 역률은 앞서고 전기자 전류를 증가한다.
4. 역률은 뒤지고 전기자 전류는 감소한다.
문제 4. 일정한 부하에서 역률 1로 동기 전동기를 운전하는 중 여자를 강하게 하면 전기자 전류는?
1. 지상전류가 되고 증가한다.
2. 진상전류가 되고 감소한다.
3. 진상전류가 되고 증가한다.
4. 지상전류가 되고 감소한다.
문제 정답
문제 1: 4
문제 2: 2
문제 3: 1
문제 4: 3
실제 전기기사 필기 기출 문제 4문제를 풀어보면서 동기 전동기 구조, 동작 원리, 그리고 위상 특성 곡선 (V곡선)에 대해 잘 이해하였는지 검증해보는 시간을 가졌습니다. 실제로 위상 특성 곡선을 통해 과여자, 부족여자에 따른 진상전류, 지상전류와 전기자전류의 증감에 대해 물어보는 문제가 자주 출제되니 꼭 핵심 내용들은 알고 넘어가셨으면 좋겠습니다! 공부하는 데에 조금이라도 도움이 되었길 바라며 모두 좋은 결과 얻으시길 바라겠습니다. 다음 글은 무부하 상태와 전부하 상태에 대해서 정리해보겠습니다.
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