동기 전동기

개요

높은 운전 효율, 신뢰성, 제어 가능한 역률, 전압 강하에 대한 낮은 민감도로 대형전력 응용분야에서 주로 사용한다.
자극에 기동 및 제동 작용을 행하기 위한 제동 권선을 설치한다.
효율이 높고 역률을 높게 유지할 수 있다.
3상 교류 전압을 인가하면 공극에 회전자계가 발생하고 회전자는 회전자계에 이끌려서 동기 속도로 회전한다.
응용분야
- 압연기, 제련소, 발전소등에서 펌프, 압축기, 팬, 분쇄기와 같은 큰 부하를 구동
- 역률 제어용 → 동기 콘덴서

용도

계자전류를 조정하여 역률을 100[%]로 할 수 있을뿐만아니라 진상역률로도 할 수 있으므로 일반적인 전동기로 사용할 수 있음은 물론이고 부하의 역률개선에도 이용.
부하나 공급전압이 다소 변동한다해도 속도는 늘 인정
단점 : 기동 토오크가 작음, 속도 조정을 할 수 없는 점, 직류전원이 필요하므로 설비비가 많이 든다는 점.

동기전동기의 장점

속도가 일정하다.
효율이 높다 - 동기기의 회전자손실은 공극전력과 무관하게 회전자의 계자전류를 유지하는데에 소모되는 전력이다. 부하율이 낮을 때는 동기전동기의 효율이 유도전동기보다 떨어질 수도 있다. 동기전동기가 운전효율이 중요한 대용량에, 그리고 높은 부하율로 연속 운전이 이루어져야 하는 용도에 적합함을 뜻한다.
역률을 제어할 수 있다.

적용분야

동기전동기는 구조가 복잡하고, 크고 무거우며 유지관리의 부담때문에 일반 용도의 범용 전동기로는 사용하기 곤란하다.
동기전동기는 대용량에서, 그리고 저속 기기에서 유리하다.
- 수백rpm이하에는 동기전동기가 1800rpm이상에는 유도전동기가 적합하다.
- 1000rpm 내외 중간속도에서는 50~100마력에는 유도전동기가 1000마력 이상 대용량에는 동기전동기가 사용된다.
- 수백 마력 범위에서도 용도에 따라 유도전동기가 사용되기도하고 동기전동기가 사용되기도 한다.
동기전동기의 주된 용도는
- 정속도 연속운전 : 전동기-발전기 세트, 공기압축기, 원심펌프, 송풍기, 분쇄기 및 연속형 압연기등 ,
- 수 MW급 대용량 부하의 구동 : 대형 펌프나 압연기, 선박추진, 시멘트 혼합기나 펄프 분쇄기 등이다.

돌극형 동기기

q축리액턴스와 d축리액턴스

회전자자속이 향하는 자극방향을 d축, 그에 직교하는 방향을 q축이라 한다.

d축 방향으로 공극이 작고 q축 방향으로는 공극이 크기 때문에 같은 전압에 대응하는 같은 양의 자속을 만들어 내기위해 q축 방향으로 d축 방향보다 더 큰 자화전류가 흐르게 된다.

$X_d : X_q \approx 1 : (0.5~0.8)$

전류를 d와 q축으로 분해해서 적용하면 단자전압 식은 (1)과 같다.

$I_a = I_d + I_q$

$\tag{1} V_s = E_a + R_a I_a + j X_d I_d + j X_q I_q$

페이서도

d축 전류에 의한 유기기전력은 $E_a$ 와 같은 위상을 갖고 d축 직류성분은 $E_a$ 에 90도 뒤진 위상을 갖는다.

전기자 저항을 무시하면 (2)로부터 $I_d$ 와 $I_q$ 를 구할 수 있다.

$\tag{2} V_s \cos \delta = E_a + X_d I_d \quad ; \quad V_s \sin \delta = X_q I_q$

$I_d = \dfrac{V_s \cos \delta - E_a}{X_d}$

$I_q = \dfrac{V_s \sin \delta }{X_q}$

전력과 토크

동기전동기로 유입되는 전력은

$\tag{3} P = 3V_sI_d \cos (90^{\circ} + \delta ) + 3 V_s I_q \cos \delta \\= -3V_sI_d \sin \delta + 3 V_s I_q \cos \delta$

(3)에 (2)에서 얻은 $I_d$ 와 $I_q$ 값을 대입하면

$P = 3\dfrac{V_s E_a}{X_d}\sin \delta + \dfrac{3}{2} \left( \dfrac{1}{X_q} - \dfrac{1}{X_d} \right) V_s^2 \sin 2\delta$

$P = \tau \omega$ 이므로

$\tau_e = 3 \dfrac{V_s E_a}{\omega_s X_d} \sin \delta + \dfrac{3}{2} \left( \dfrac{1}{X_q} - \dfrac{1}{X_d} \right) \dfrac{V_s^2}{\omega_s} \sin 2\delta$

첫 항은 계자자속과 공극자속 사이에 작용하는 기자력토크이고, 두번째 항은 돌출한 회전자의 모양에서 비롯된 릴럭턴스토크이다.

릴럭턴스토크는 회전자의 돌출부가 공극자속의 N극이나 S극 어느 쪽이건 가까운 쪽으로 당겨짐으로써 발생한다.
릴럭턴스토크는 회전자가 회전하는 공극자속과 일치하려고 하는 힘으로, 회전자를 회전시켜주는 토크를 발생시킨다.
릴럭턴스토크는 회전자의 형상과 공극의 자속분포에 따라 결정된다. 회전자가 공극자속과 틀어져 있는 경우 틀어진 방향과 반대 방향의 토크를 발생시킨다.
릴럭턴스토크는 기자력토크와 함께 동기전동기의 토크를 결정한다. 릴럭턴스토크가 더해짐으로써 항복토크가 다소 증가하며 항복토크가 나타나는 부하각이 90도 보다 작아진다.
릴럭턴스토크는 정격 계자전류에서 기자력토크의 1/4정도로, 통상적인 운전상태에서는 그다지 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나 계자전류를 현저히 줄여 기자력토크가 작아진 상태에서는 릴럭턴스토크의 비중이 커지므로 릴럭턴스토크를 무시했을 때 상당한 오차가 나타날 수 있다.

강의노트 동기 전동기