동기전동기는 왜 기동이 어려운가요?

Question

전기기기를 공부하다 보면 동기전동기는 효율과 역률이 좋다고 배우는데, 반대로 기동이 어렵다는 특징도 있다고 해서 궁금합니다. 유도전동기는 전원을 넣으면 바로 회전하는데, 동기전동기는 왜 스스로 기동하지 못하는지 잘 이해되지 않습니다. 또한 회전자와 회전자계 속도가 같아야 동기 상태가 된다고 하는데, 정지 상태에서는 왜 토크가 계속 바뀌어 평균적으로 회전하지 못하는지도 궁금합니다. 실제 현장에서는 보조전동기나 댐퍼권선을 사용해 기동한다고 들었는데 각각 어떤 원리인지 자세히 알고 싶습니다. 동기전동기가 산업현장에서 어떤 장점 때문에 사용하는지도 설명 부탁드립니다.

Answer 1

안녕하세요. 최광민 전기기사입니다.

결론부터 말씀드리면 동기전동기는 회전자 자계와 회전자계가 정확히 같은 속도로 맞아야 안정적인 토크가 발생하기 때문에, 정지 상태에서는 평균 기동토크를 만들기 어려워 자체 기동이 힘듭니다. 동기전동기는 고정자에서 회전하는 자기장을 만들고, 회전자에는 직류여자로 고정된 자계를 형성합니다.

문제는 전원을 처음 인가했을 때입니다. 회전자계는 이미 동기속도로 빠르게 회전하고 있지만 회전자는 정지 상태입니다. 이때 회전자 자계는 회전자계와 계속 위치 관계가 바뀌게 되고, 토크 방향도 순간마다 바뀌게 됩니다. 결과적으로 평균토크가 거의 0에 가까워져 스스로 회전하기 어렵습니다.

이를 해결하기 위해 댐퍼권선을 사용합니다. 댐퍼권선은 회전자에 설치된 도체로, 기동 초기에는 유도전동기처럼 동작해 기동토크를 발생시킵니다. 회전속도가 동기속도 근처까지 올라가면 직류여자를 인가해 회전자계를 동기 상태로 끌어들입니다.

대형 설비에서는 별도의 보조전동기로 먼저 회전시킨 뒤 동기 투입하는 방식도 사용합니다. 동기전동기는 구조가 복잡하고 기동이 까다롭지만 장점도 많습니다. 효율이 높고 역률 조정이 가능해 공장 역률 개선에도 활용할 수 있습니다.

특히 일정 속도를 매우 정확하게 유지할 수 있기 때문에 압축기나 대형 산업설비에서 사용됩니다. 결국 동기전동기는 기동은 어렵지만 안정 운전과 역률 특성에서 큰 장점을 가진 특수 전동기라고 볼 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요. 최정훈 전기기사입니다.

동기전동기는 회전계가 빛의 속도로 도는데 회전자가 너무 무거워 이를 따라가지 못해 제자리에서 진동만 하느라 스스로 못 도는 거예요. 그래서 기동 권선을 쓰거나 보조 전동기로 속도를 맞춰준 뒤에야 비로소 동기 속도로 일정하게 회전할 수 있습니당. 효율이 좋고 역률 조절이 가능해 대용량 설비에서 필수적이라 정말 매력적인 기계인 것 같아요.