개념 한 쪽
동기전동기는 전원 주파수에 맞춘 동기속도로 회전하며 부하가 변해도 속도를 유지한다. 계자전류를 조절해 역률을 바꿀 수 있지만 기동 토크가 거의 없어 기동이 어렵다. 동기기의 안정도와 V곡선, 제동권선, 권선계수는 서로 다른 계산과 판단으로 출제된다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「동기전동기의 원리」의 공개 문제 2개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 안정도 향상 대책 판단 | 1 | 동기 임피던스와 안정도의 관계를 가리기 |
| V곡선 최저점 특성 판단 | 1 | 여자전류 변화에 따른 전기자전류와 역률을 가리기 |
동기전동기는 전원 주파수와 극수로 정해지는 동기속도로 회전한다. 부하가 조금 늘어나도 회전 속도는 떨어지지 않고 회전자 위치각만 밀린다. 그래서 속도가 일정한 전동기로 설명한다. 다만 기동 토크가 거의 없어 스스로 시동하지 못하고, 제동권선이나 보조 전동기로 속도를 올린 뒤 동기에 넣어야 한다. 계자전류를 조절하면 역률을 지상에서 진상까지 바꿀 수 있어 역률 개선용으로도 쓴다.
동기기의 안정도는 최대 출력과 연결해 판단한다. 동기 출력은 P=(EV/Xs)sinδ이고 최대 출력은 Pmax=EV/Xs이다. 동기 임피던스 Xs가 작을수록 최대 출력이 커져 안정도가 좋아진다. 따라서 동기 임피던스를 크게 하는 것은 안정도 향상에 유효하지 못하다. 관성 모멘트를 크게 하거나 단락비를 크게 하거나 속응 여자를 하는 것은 동요를 억제하는 쪽이다.
동기전동기의 V곡선은 출력을 고정하고 여자전류를 바꿀 때 전기자전류가 변하는 모양을 그린 것이다. 가로축은 여자전류이고 세로축은 전기자전류이다. V곡선의 최저점은 전기자전류가 최소가 되는 지점이며 이때 역률은 100%이다. 여자가 약하면 뒤진 지상 역률이 되고, 과여자하면 앞선 진상 전기자전류가 흐른다. 최저점에서 역률이 0%라는 설명은 틀리다.
제동권선은 회전자 극 표면에 단락 막대와 단락링을 둔 구조로 유도전동기의 농형 회전자와 같다. 시동할 때는 유도전동기처럼 토크를 내고, 동기 속도에 오른 뒤에는 부하 변동에 의한 난조를 감쇠한다. 난조의 원인으로는 회전자 관성이 큰 경우, 원동기 토크의 고조파, 전기자 저항이 커 동기화력이 줄어드는 경우, 너무 예민한 조속기가 있다. 관성이 작은 경우는 난조의 원인이 아니다.
동기기의 권선 계산도 함께 나온다. 회전 자계의 주변속도는 회전 수와 원주 길이를 곱해 구하고, 원주 길이는 극 간격과 극수의 곱이다. 단절권계수는 k=cos(β/2)로 구하며 β는 180°에서 실제 코일 전기각을 뺀 값이다. 슬롯각은 180°×극수÷슬롯수로 구한다. 단상 릴럭턴스 전동기의 최대 토크는 T=¼(Ld−Lq)I²로 구하고 I는 실효치를 쓴다.
60Hz, 12극 동기전동기에서 극 간격이 1m이면 동기속도는 Ns=120f/P=120×60/12=600rpm이다. 원주는 극 간격×극수=1×12=12m이고, 주변속도는 12×600÷60=120m/s이다.
3상 6극, 슬롯수 54인 동기발전기에서 한 코일의 두 변이 각각 첫 번째와 여덟 번째 슬롯에 배치되어 있으면 슬롯각은 180°×6/54=20°이다. 실제 권폭은 8−1=7슬롯이므로 7×20°=140°이고, β=180°−140°=40°이다. 단절권계수는 k=cos(β/2)=cos20°≈0.9397이다.
동기기의 안정도 향상에 유효하지 못한 것은?
정답 ④ · 질문은 동기기 안정도를 높이기 위한 방법 중 효과가 없는 것을 찾는 문제이다. 동기 임피던스 Xs가 작을수록 기계가 견딜 수 있는 최대 전력이 커지므로 큰 Xs를 취하는 것은 안정도 향상에 도움이 되지 않는다.
동기 임피던스는 작을수록 최대 출력 EV/Xs가 커져 안정도가 좋아지므로 크게 하는 것은 안정도 향상에 유효하지 못하다.
다음에서 동기전동기의 V곡선에 대한 설명중 맞지 않는 것은?
정답 ④ · 문제는 동기전동기의 V곡선 특성에서 잘못된 설명을 고르는 것이다. V곡선은 가로축에 여자전류, 세로축에 전기자전류를 놓고 그린 곡선으로 여자전류를 변화시킬 때 전기자전류가 최소가 되는 지점(곡선의 최저점)이 존재한다.
V곡선 최저점은 전기자전류 최소·역률 100% 지점이므로 '역률 0%' 설명이 틀리다.
60[Hz], 12극의 동기 전동기의 회전 자계의 주변속도는? (단, 회전 자계의 극 간격은 1m이다.)
정답 ④ · 동기 속도의 공식은 Ns = 120f / p [rpm]입니다. 여기서 주파수 f는 60Hz, 극수 p는 12이므로 Ns = 120 * 60 / 12 = 600 [rpm]입니다.
Ns=120f/P=600rpm, 원주=극간격×극수=12m, v=πDN/60=12×600/60=120m/s.
전기공사산업기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.