전기기기 4강. 동기기
세상의 전기를 만드는 것은 거의 전부 동기발전기입니다. 그리고 그것들은 전부 같은 박자로 돌고 있습니다.
풀고 시작
발전소가 같은 박자로 도는 이유
전력 계통에 붙은 모든 발전기는 정확히 같은 전기적 속도로 돕니다. 하나라도 어긋나면 큰 순환 전류가 흘러 기계가 부서지죠. 이 성질 때문에 동기기라 부릅니다.
동기발전기는 회전자에 직류를 흘려 자석을 만들고, 그것을 원동기로 돌려 고정자에 3상 전압을 유도합니다. 회전자가 자석이고 고정자가 전기를 내는 구조라, 큰 전류를 브러시로 뽑지 않아도 되죠.
계통에 새 발전기를 붙이는 일(병렬 운전) 에는 조건이 있습니다. 기전력의 크기, 위상, 주파수, 파형이 같아야 하고 3상에서는 상회전 방향까지 맞아야 합니다. 하나라도 어긋난 채로 넣으면 순간적으로 엄청난 전류가 흘러 축이 비틀립니다. 그래서 동기 검정기로 조건을 맞춘 뒤 정확한 순간에 투입합니다.
여기서 각 조건이 어긋났을 때 무엇이 흐르는지가 시험에 나옵니다. 크기가 다르면 무효 순환 전류, 위상이 다르면 유효 순환 전류(동기화 전류) 가 흐릅니다.
계자로 역률을 바꾼다
동기기의 독특한 성질은 계자 전류로 역률을 조절할 수 있다는 것입니다.
계자를 세게 걸면(과여자) 기기가 진상이 되어 콘덴서처럼 무효전력을 공급합니다. 약하게 걸면(부족여자) 지상이 되어 리액터처럼 무효전력을 흡수하죠. 유효전력은 그대로 두고 무효전력만 바꿀 수 있습니다.
이 성질만 쓰려고 부하 없이 돌리는 동기전동기를 계통에 다는데, 이것이 동기조상기입니다. 전력용 콘덴서와 달리 연속적으로 조절되고 진상과 지상을 오갈 수 있어 계통 전압 조정에 유용합니다. 대신 회전기라 손실과 보수 부담이 있습니다.
여자 전류를 바꿔 가며 전기자 전류를 그리면 V자 모양이 나오는데 이것을 위상 특성 곡선(V 곡선) 이라 합니다. 역률이 1일 때 전기자 전류가 최소가 되는 지점이 V의 바닥입니다.
스스로 기동하지 못하는 전동기
동기전동기에는 큰 약점이 있습니다. 스스로 기동하지 못합니다.
정지 상태에서 3상 전원을 넣으면 회전자계가 순식간에 돌지만 무거운 회전자는 따라가지 못합니다. 끌어당기는 힘의 방향이 반 바퀴마다 뒤집혀 평균 토크가 0이 되죠.
그래서 회전자에 제동권선(damper winding) 을 심습니다. 유도전동기의 농형 회전자와 같은 구조인데, 기동할 때는 이것이 유도전동기처럼 작동해 회전자를 동기속도 가까이까지 끌어올립니다. 그 뒤에 계자를 넣으면 동기로 끌려 들어가죠. 이것을 자기 기동법이라 합니다.
제동권선은 기동 뒤에도 일을 합니다. 부하가 갑자기 변해 회전자가 앞뒤로 흔들리는 난조(hunting) 를 억제하죠. 흔들리면 제동권선이 자속을 끊어 전류가 유도되고, 그 전류가 렌츠 법칙대로 흔들림을 방해합니다.
동기전동기의 장점은 분명합니다. 부하가 변해도 속도가 정확히 일정하고, 역률을 조절할 수 있으며, 효율이 높습니다. 그래서 대형 압축기와 분쇄기처럼 일정 속도로 오래 도는 곳에 씁니다.