동기기에 대하여 살펴 봅시다.
동기기는 영어로 Synchronous Machine이라고 합니다.
동기화 되어 있다는 이야기입니다.
전동기의 경우 입력전압의 주파수에 속도가 동기화가 되고
발전기의 경우 회전속에 출력 전압의 주파수가 동기화 됩니다.
이와 비교되는 전동기로는 비동기 기기인데
비동기 전동기의 경우 입력 전압 주파수에 대해 회전속도가 약간 떨어집니다.
그래서 동기화 되는 특징을 가졌기에 '동기기'라고 불립니다.
1. 동기기의 사용
동기기의 종류로는 크게 동기발전기와 동기전동기로 나뉩니다.
특히, 발전기로써의 사용이 많습니다.
대부분 대형 발전소에서 사용하는 발전기가 동기발전기입니다.
동기기를 전동기로 사용하는 경우도 요즘은 많아졌습니다.
전기자동차에 사용되는 휠인모터에 동기전동기를 많이 사용합니다.
또한 BLDC라고 불리우는 모터들도, 일정의 DC모터라고 소개되지만,
구조상 동기모터와 같습니다.
2. 동기기의 구조
동기기의 기본구조로 발전기를 먼저 봅니다.
3상의 전기자가 고정자에 감싸여 있고, DC의 단상 권선 또는 영구자석이
회전자로 되어 있습니다.
고정자에 전기자 권선이 감겨있는 형태인데, 여기서 각 상은 120˚의 위상차를 가지며
Y결선 방식을 취하고 있다.
회전자는 단상 DC전압을 인가하면 자계를 만들어 내도록 되어 있다.
영구자석형 동기발전기라면, 회전자가 영구자석으로 되어 있습니다.
회전자가 회전하면 발전하게 되는데,
전기가 발생하는 전기자는 위치상으로 120˚ 의 위상차가 발생하게 됩니다.
이러한 위상차로 인해 발전하는 전압도 120˚의 위상차를 가지는 발전전압을
유기하게 됩니다.
3. 동기속도
한개의 전기자 권선만을 고려하여 동기발전기의 회전자가 한번 회전하게 되면
1주기의 주파수 전압이 유기되게 됩니다.
그래서 1회전당 1주파수가 나오게 되는데
이 주파수는 회전속도(n)와 극수(P)에 비례합니다.
극수 P가 2개 일 때 회전속도는 1개당 1이 나오므로 비례상수는 1/2이 되어서
분모에 2가 들어가게 됩니다.
따라서,
여기서 회전속도는 흔히 분당회전수(rpm0으로 표현을 합니다.
모터나 발전기에서는 회전속도를 구하는 식으로 사용하기 때문에
N[rpm]에 대한 식으로 다시 씁니다.
위 식은 동기기에서의 기본식인 '동기속도' 공식입니다.
쉬우면서도 가장 기본이 되는 식입니다.
【 동기기에 회전자계를 사용하는 이유 】
용어가 햇갈릴지도 모르므로
먼저 기기(Machine)의 구조에 대해 설명합니다.
1. 회전자 : 기기에서 회전하는 부분
2. 고정자 : 기기에서 고정된 부분
여기서 발전기의 경우 회전자가 회전하면 전기를 만들어 내는 부분이 있고
그 전기를 만들기 위해 자기장을 깔아 주는 것이 있습니다.
1. 전기자 : 발전기에서 전기를 만들어 내는 부분
2. 계자 : 발전기에서 자기장(자속)을 만들어 내는 부분
이제 회전자를 전기자로 할 것이냐, 계자로 할 것이냐에 따라서
기기들은 2가지 형태로 나뉩니다.
1. 회전자계형 : 회전하는 개체가 계자권선을 가짐(고정자가 전기자 권선)
2. 고정계자형 : 고정하는 개체가 계자권선을 가짐(회전자가 전기자권선)
이전에 DC발전기를 보면 지금까지 고정계자형 기기를 보고 있었음을 알 수 있습니다.
반면에 동기기는 고정자와 회전자의 역할이 서로 다릅니다.
고정자가 전기자, 회전자가 계자인 형태입니다.
그럼 동기기는 왜 '회전자계형'을 쓰는지 그 장점을 알아 봄시다.
1. 브러시에 대한 부담 감소
전기적으로 발전전압이 계자전압보다 훨씬 높습니다.
회전자에 권선사용시 브러시 사용이 필수적입니다.
이것은 기계적으로 접촉을 하게 되는데, 여기에 높은 전압이 걸리게 되면
불꽃이 발생하는 등의 위험이 있습니다.
따라서 계자권선이 회전하는 것이 더 이익입니다.
혹은 회전자를 아예 영구자석으로 사용한다면 브러시 사용이 필요없게 됩니다.
2. 계자권선이 더 적은 구리를 사용
회전할 때 무거운 전기자를 회전시키는 것보다 구조가 더 간단하고 튼튼한 계자권선을
회전시키는 것이 유리합니다.
3. 브러시 감소
계자권선은 DC전압을 사용하여 2개의 가닥을 사용하지만
3상의 권선은 6가닥을 사용합니다.
따라서 계자권선을 회전자로 만들어 회전시키는 것이 브러시 사용이
더 적어집니다.
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