동기전동기

3. 위상각과 토크

위상각(phase angle^영어)은 장자석에서 발생하는 자기장과 전기자 전류에 의해 발생하는 회전 자기장 사이의 위상 차이이다. 동기 전동기의 돌림힘은 위상각에 비례하여 증가하며, 위상각이 90도일 때 이론적인 최대 토크가 된다. 회전 장자석에 동기하여 회전하므로, 일률은 돌림힘에 비례한다.

부하의 돌림힘이 너무 커지면 동기화가 깨져 전동기가 정지한다. 이때의 돌림힘을 '''탈출 돌림힘'''이라고 하며, 부하각은 50~70도 범위에 있다.^[39][40]

부하가 가해지면 토크각 $\backslash delta$가 증가한다. $\backslash delta$ = 90°일 때 토크는 최대가 된다. 부하가 더 가해지면 모터는 동기성을 잃게 되는데, 이는 모터 토크가 부하 토크보다 작아지기 때문이다. 동기성을 잃지 않고 모터에 가할 수 있는 최대 부하 토크를 동기 전동기의 정상 상태 안정도 한계라고 한다.

상차각(토크각)은 계자에서 발생하는 무부하 유도 기전력과 전기자 전압의 위상차 δ를 말한다. 동기 전동기의 토크는 sin(δ)에 비례하여 커지며, δ=90도일 때 이론적인 최대 토크가 된다(원통형 기계의 경우. 돌극형 기계의 경우는 다르다). 전기자 전압의 주파수에 동기하여 회전하기 때문에, 출력은 토크에 비례한다. 부하의 토크가 너무 커지면 "동기 이탈(탈조)"로 인해 정지한다. 이때의 토크를 "탈출 토크"라고 하며, 상차각은 50~70도의 범위에 있다.

4. 전기자 반작용

계자(자속)가 만든 자속을 전기자 전류(부하 전류)가 교란하는 작용이다. 전기자 전압과 전기자 전류의 위상차(역률각)에 따라 양상이 달라진다.

• '''교차 자화 작용(횡축 반작용)'''

• '''증자 작용(직축 반작용)'''

• '''감자 작용(직축 반작용)'''

5. 분류

동기 전동기는 회전자가 자화되는 방식에 따라 크게 비여자형과 직류 여자형으로 나뉜다.^[3]
비여자형 동기 전동기회전자가 강철로 만들어지며, 고정자의 회전 자기장과 같은 속도로 회전한다. 외부 고정자 자기장이 회전자를 자화하여 회전에 필요한 자기 극을 유도한다. 회전자는 보자력이 높은 코발트강과 같은 강철로 만들어진다.^[4]

• 영구자석 동기전동기(PMSM): 회전자에 내장된 영구 자석을 사용하여 일정한 자기장을 생성한다. 고정자는 유도 전동기와 같이 회전하는 자기장을 생성하기 위해 교류 전원 공급 장치에 연결된 권선을 가지고 있다. 동기 속도에서 회전자 극은 회전하는 자기장에 고정된다. 네오디뮴 자석이 가장 일반적이지만, 가격 변동으로 인해 페라이트 자석 연구가 진행되고 있다.^[5] 페라이트 자석을 사용하는 경우, 낮은 전력 밀도와 토크 밀도를 가진다.^[6]
• 릴럭턴스 동기 전동기: 돌출된 극을 가진 강철 회전자를 사용한다. 자기 회로의 공극 크기(릴럭턴스)는 극이 고정자 자기장과 정렬될 때 최소가 되며, 각도가 커질수록 증가한다. 이로 인해 회전자를 고정자 자기장의 가장 가까운 극으로 당기는 토크가 발생한다. 회전자는 유도 전동기로 시작하여 동기 속도에 도달하면 고정자 자기장에 고정된다.^[18]
• 히스테리시스 동기 전동기: 자성적으로 강한 코발트강으로 만들어진 원통형 회전자를 사용한다.^[17] 히스테리시스 현상으로 인해 자화 위상이 인가된 계의 위상보다 뒤쳐져 일정한 각도만큼 늦어지면서 토크를 생성한다. 시동 토크가 일정하며, 자체 시동이 가능하다.

• 전자석 동기 전동기: 계자극에 전자석을 사용한다.^[43]
• 영구 자석 동기 전동기(PM형 모터): 계자극에 영구 자석을 사용한다.
• 릴럭턴스 동기 전동기: 계자에 자석을 설치하지 않고, 가로축과 세로축의 릴럭턴스(자기 저항)가 다른 자극 형상으로 하여, 돌극성에 의한 회전 토크를 얻는다.
• 히스테리시스형 동기 전동기: 회전자에 히스테리시스가 큰 상자성체를 사용한다.^[44]

6. 제어

영구 자석 동기 전동기(PMSM) 및 릴럭턴스 전동기는 VFD 또는 서보 드라이브와 같은 제어 시스템이 필요하다.^{[8][9][10][11][12]} 제어 방식은 전동기의 구조와 용도에 따라 다양하게 선택된다.

PMSM은 일반적으로 직접 토크 제어^[14] 및 자속 기준 제어를 사용하여 제어된다.^[15]

릴럭턴스 전동기는 회전자 극이 고정자 극보다 적어 토크 리플을 최소화하고 모든 극이 동시에 정렬되는 것을 방지한다.^[16][17] 회전자는 다람쥐 꼬리형 회전자 권선이 내장되어 있어 유도 전동기로 시작하여 동기 속도에 도달하면 고정자 자기장에 고정된다.^[18]

히스테리시스 전동기는 높은 보자력을 가진 코발트강으로 만들어져 시동에서 동기 속도까지 일정한 토크를 발생시킨다. 따라서 자체 시동이 가능하며, 많은 설계에서 시동 시 추가 토크를 제공하기 위해 다람쥐 꼬리형 회전자 구조를 사용한다.

PMSM의 제어 방식은 크게 다음과 같이 나눌 수 있다.

• 스칼라 제어
• V/f 제어
• 벡터 제어
• 자계 지향 제어
• 직접 토크 제어
• 피드백 선형화
• 수동성 기반 제어

7. 구성

동기 전동기의 주요 구성 요소는 고정자와 회전자이다.^[21] 동기 전동기와 유도 전동기의 고정자는 구조가 유사하다.^[22] 동기 전동기의 구조는 동기 교류 발전기의 구조와 유사하다.^[23]

8. 동기 속도

동기 속도는 동기 전동기에서 다음 식으로 주어진다.^[20]

RPM으로 표현하면 다음과 같다.

:$N\_s\; =\; 60\backslash frac\; f\; P\; =\; 120\backslash frac\; f\; p$

rad·s⁻¹으로 표현하면 다음과 같다.

:$\backslash omega\_s\; =\; 2\backslash pi\backslash frac\; f\; P\; =\; 4\backslash pi\backslash frac\; f\; p$

여기서,

• $f$는 Hz로 나타낸 교류 공급 전류의 주파수이다.
• $p$는 자기 극의 수이다.
• $P$는 극쌍의 수(드물게는 '정류면')이며, $P\; =\; p/2$이다.

9. 기동 방법

동기 전동기는 자체 기동 토크가 없으므로, 일반적으로 다음과 같은 기동 방법을 사용한다.

동기 전동기는 특정 크기 이상에서는 자체적으로 기동할 수 없다. 이러한 특성은 회전자 관성 때문인데, 회전자는 고정자의 자기장의 회전을 즉시 따라갈 수 없다. 동기 전동기는 정지 상태에서 고유한 평균 토크를 생성하지 않으므로 보조 기구 없이는 동기 속도로 가속할 수 없다.^[16]

• 댐퍼 권선 (기동 권선) 사용:
• 회전자에 댐퍼 권선(농형 권선)을 설치하여 유도 전동기처럼 기동하는 방식이다. 댐퍼 권선은 유도 전동기의 회전자 권선과 유사한 구조를 가지며, 기동 시에는 유도 전동기와 같은 원리로 회전력을 발생시킨다. 회전자가 동기 속도 부근에 도달하면 직류 여자(勵磁)를 가하여 동기 속도로 운전한다. 이 권선은 동일한 유도 전동기의 권선보다 작고 장시간 작동 시 과열될 수 있으며, 회전자 여자 권선에 큰 슬립 주파수 전압이 유도되기 때문에 동기 전동기 보호 장치는 이 조건을 감지하고 전원 공급을 중단한다(탈조 보호).^[29]
• 대형 동기 전동기의 경우, 상용 전력을 사용하는 대형 전동기는 가속에 충분한 토크를 제공하고 전동기 속도 진동을 감쇠시키는 농형 유도 전동기 권선을 포함한다.^[16] 회전자가 동기 속도에 가까워지면 계자 권선이 여자되고 전동기는 동기화된다.

• 별도의 기동 전동기 사용:
• 주 전동기와 직결된 소형 전동기(pony motor)를 이용하여 동기 속도까지 가속하는 방식이다. 매우 큰 전동기 시스템은 부하를 가하기 전에 부하가 없는 동기기를 가속하는 "포니" 전동기를 포함할 수 있다.^[30][31]

• 주파수 변환 기동:
• 가변 주파수 드라이브(VFD)를 사용하여 전원 주파수를 0에서부터 서서히 증가시켜 기동하는 방식이다. 이 방식은 영구 자석 동기 전동기(PMSM)의 기동에 주로 사용된다. 대부분의 PMSM은 시동을 위해 가변 주파수 드라이브가 필요하다.^{[8][9][10][11][12]} 전자 제어 전동기는 고정자 전류의 주파수를 변경하여 0 속도에서 가속할 수 있다.^[32]

• 자동 기동 (Line Start or Self Start):
• 일부 동기 전동기는 회전자 내에 다람쥐 쳇바퀴형 케이지를 통합하여 자체 기동이 가능하도록 설계된다. 이를 라인 시동 또는 자체 시동이라고 한다.^[13] 이는 일반적으로 유도 전동기를 대체하여 더 높은 효율을 위해 사용되지만(슬립 부족으로 인해), 동기 속도에 도달하고 시스템이 시동 중 토크 리플을 견딜 수 있는지 확인해야 한다.

• 기타 기동 방법:
• 소형 동기 전동기는 전력선 주파수를 사용하여 기어 메커니즘을 정확한 속도로 작동시키는 전력선 구동 전기 기계식 시계 또는 타이머에 일반적으로 사용된다. 이러한 소형 동기 전동기는 회전자와 기계적 부하의 관성 모멘트가 충분히 작으면 도움 없이 시동할 수 있다. 전동기는 릴럭턴스 토크의 가속 반 주기 동안 슬립 속도에서 동기 속도로 가속한다.^[16] 단상 교류 전력 전기 벽시계와 같은 단상 동기 전동기는 셰이디드 폴 동기 전동기와 달리 어느 방향으로든 자유롭게 회전할 수 있다.
• 비용은 시동기의 중요한 매개변수이다.^[33] 회전자 여자(勵磁)는 이 문제를 해결할 수 있는 방법이다.^[34] 또한 대형 동기기의 시동 방법에는 시동 중 회전자 극의 반복적인 극성 반전이 포함된다.^[35]

10. 응용 분야

동기 전동기는 정밀한 속도 제어, 높은 효율, 위치 제어 기능과 같은 장점 덕분에 여러 분야에서 널리 사용된다.

• 정밀 속도 제어: 부하에 관계없이 일정한 속도로 작동한다.
• 위치 제어: 스테핑 모터와 같이 개방 루프 제어를 통해 속도와 위치를 정확하게 제어할 수 있다.
• 저전력 응용: 로봇 액추에이터나 정밀 포지셔닝 기계와 같이 높은 정밀도가 필요한 분야에 사용된다.
• 위치 유지: 고정자와 회전자 모두에 직류 전류를 공급하면 위치를 유지할 수 있다.
• 시계: 동기 전동기로 구동되는 시계는 전원 주파수만큼 정확하게 작동한다. (전력망 운영자는 라인 주파수를 능동적으로 조정하여 모터 구동 시계의 정확도를 유지한다.^[17])
• 레코드 플레이어 턴테이블: 정밀한 속도 유지가 필요한 턴테이블에 사용된다.
• 저속 고효율: 볼 밀과 같이 저속에서 높은 효율이 필요한 분야에 사용된다.
• 가전 제품: 타이머, 테이프 레코더, 정밀 서보 기구 등 정확한 속도가 필요한 소형 가전제품에 사용된다.
• 산업용: 수 센티미터 각의 소형부터 대형 고출력 산업용까지 다양한 크기로 제작된다.
• 전기 자동차: 전차의 주전동기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등에도 사용된다.

11. 동기 조상기

동기 전동기는 여자(勵磁) 전류를 변화시켜 지상, 진상 및 역률 1로 작동시킬 수 있다. 역률이 1인 여자 상태를 '정상 여자 전압'이라고 하며, 이때 전류 크기는 최소가 된다.^[36] 정상 여자보다 큰 여자 전압을 과(過)여자, 작은 여자 전압을 부족 여자라고 한다.^[36]

V-곡선(동기기)은 계자 전류에 따른 전기자 전류의 변화를 보여준다. 계자 전류가 증가하면 전기자 전류는 처음에는 감소하다가 최소값(역률 1)에 도달한 후 다시 증가한다.^[38]

이러한 역률 제어 능력은 전동기가 연결된 전력 시스템의 역률 개선에 활용될 수 있다. 대부분의 대규모 전력 시스템은 지상 역률을 가지므로, 과여자된 동기 전동기를 사용하면 시스템의 순 역률을 1에 가깝게 만들어 효율을 높일 수 있다. 이러한 역률 개선은 기계적 작업을 제공하기 위해 이미 존재하는 전동기의 부수적인 효과로 얻을 수도 있지만, 역률 개선만을 위해 기계적 부하 없이 전동기를 작동시킬 수도 있다. 대규모 산업 플랜트에서는 동기 전동기와 다른 지상 부하 간의 상호 작용이 전기 설계에서 중요한 고려 사항이 될 수 있다.

계자 전류를 줄인 감자 여자 상태에서는 동기기가 발생하는 전압이 계통 전압보다 낮아져, 동기기는 계통에서 지연 무효전력을 흡수한다. 이때 전기자 반작용은 증자 작용이 된다. 반대로, 계자 전류를 늘린 강자 여자 상태에서는 동기기가 발생하는 전압이 계통 전압보다 높아져, 동기기는 계통에 무효전력을 공급하고 전기자 반작용은 감자 작용이 된다.^[45]

12. 정상 상태 안정도 한계

동기 전동기가 동기화를 유지하면서 낼 수 있는 최대 토크를 정상 상태 안정도 한계라고 한다.^[39] phase angle^영어은 장자석으로부터 전기자 전류의 회전의 위상 차이이다. 동기 전동기의 돌림힘은 위상각이 커지는 만큼 커져, 90도일 때 이론적인 최대 토크가 된다.

:

여기서,

:는 토크

:는 토크각

:는 최대 토크

부하가 가해지면 토크각 가 증가한다. = 90°일 때 토크는 최대가 된다. 부하가 더 가해지면 모터는 동기성을 잃게 되는데, 이는 모터 토크가 부하 토크보다 작아지기 때문이다.^[39][40]

참조

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