동기전동기란? 유도전동기와 구조·슬립·속도 차이 비교

산업현장에서 가장 널리 사용되는 교류전동기 가운데 하나가 유도전동기다.

유도전동기는 구조가 단순하고 견고하며 유지보수가 비교적 쉽기 때문에 펌프, 팬, 컨베이어, 압축기 등 다양한 설비에 사용된다.

그런데 교류전동기에는 유도전동기와 작동원리가 다른 또 하나의 중요한 전동기가 있다.

바로 동기전동기(Synchronous Motor)다.

동기전동기의 가장 큰 특징은 이름 그대로 고정자의 회전자계와 정확히 같은 속도로 회전한다는 것이다.

즉 정상운전에서는 슬립이 없다.

유도전동기는 토크를 만들기 위해 반드시 회전자계와 회전자 사이에 상대속도가 필요하지만, 동기전동기는 회전자 자체에 자계를 만들어 고정자의 회전자계와 자기적으로 맞물리면서 회전한다.

따라서 두 전동기는 겉으로 보면 모두 3상 교류전원을 사용하는 회전기이지만 회전자에 전류와 자속을 만드는 방식부터 토크 발생원리까지 상당히 다르다.

동기전동기란 무엇인가?

동기전동기는 고정자의 회전자계와 회전자가 같은 속도로 회전하는 교류전동기다.

동기속도 Ns는

Ns = 120f / P

로 결정된다.

여기서

f는 전원주파수,

P는 극수다.

예를 들어 60Hz, 4극 동기전동기라면

Ns = 120 × 60 / 4

= 1800rpm

이다.

정상적인 동기운전에서는 실제 회전자속도도

Nr = 1800rpm

이 된다.

유도전동기와 가장 큰 차이는 슬립이다

유도전동기의 슬립은

s = (Ns – Nr) / Ns

이다.

유도전동기는 정상운전에서

Nr < Ns

이므로

s > 0

이다.

예를 들어 동기속도가 1800rpm인데 실제속도가 1750rpm이라면 일정한 슬립이 존재한다.

반면 동기전동기는 정상운전에서

Nr = Ns

이므로

s = 0

이다.

즉 동기전동기는 정상상태에서 회전자계와 회전자가 서로 미끄러지지 않고 같은 속도로 회전한다.

그런데 슬립이 0인데 어떻게 토크가 발생할까?

유도전동기에서는 슬립이 0이 되면 회전자에 유도기전력이 발생하지 않는다.

회전자 전류도 사라지고 토크도 0이 된다.

그래서 유도전동기는 동기속도에 도달할 수 없다.

그렇다면 동기전동기는 어떻게 슬립 0 상태에서 토크를 만들까?

답은 회전자 자계를 외부에서 별도로 만든다는 데 있다.

유도전동기는 회전자계와의 상대운동을 이용해 회전자 전류를 유도한다.

반면 동기전동기는 회전자 자체에 이미 N극과 S극의 자기장을 만들어 둔다.

그 결과 고정자의 회전자계와 회전자 자계가 서로 끌어당기고 밀어내면서 토크를 만든다.

동기전동기의 기본 구조

동기전동기도 크게

고정자

와

회전자

로 구성된다.

고정자는 일반적인 3상 교류전동기와 비슷한 구조를 가진다.

고정자 철심에는 슬롯이 있고 슬롯 안에 3상 권선이 배치된다.

3상 교류전원을 공급하면 고정자 내부에 회전자계가 만들어진다.

차이는 주로 회전자에서 나타난다.

고정자의 역할

동기전동기의 고정자는 3상 교류전원을 받아 회전자계를 만든다.

평형된 3상 전류는 시간적으로 120° 위상차를 가지며, 공간적으로 배치된 3상 권선과 결합하여 일정한 크기로 회전하는 자계를 만든다.

이 회전자계의 속도가 바로

Ns = 120f/P

이다.

따라서 동기전동기의 속도는 기본적으로 전원주파수와 극수로 결정된다.

회전자는 어떤 역할을 할까?

동기전동기의 회전자는 고유한 자기장을 만든다.

즉 회전자 자체가 하나의 회전하는 전자석 또는 영구자석과 같은 역할을 한다.

회전자에는

N극

S극

이 형성된다.

고정자의 회전자계에도 순간적으로 N극과 S극에 해당하는 자기적 축이 존재한다.

두 자계가 서로 일정한 상대위치를 유지하려는 힘을 만들고, 이 힘이 회전토크를 만든다.

회전자 자계는 어떻게 만들까?

동기전동기의 회전자 자계를 만드는 대표적인 방법은 크게 두 가지로 볼 수 있다.

첫 번째는 직류여자 방식이다.

두 번째는 영구자석 방식이다.

전통적인 대형 동기전동기에서는 회전자 계자권선에 직류전류를 공급하여 자계를 만든다.

반면 영구자석 동기전동기에서는 회전자에 영구자석을 설치하여 자계를 만든다.

직류여자 동기전동기

회전자에 계자권선을 설치하고 직류전류 If를 흘리면 회전자에 N극과 S극이 형성된다.

계자전류의 크기를 조절하면 회전자 자속의 크기도 조절할 수 있다.

이 특성은 단순히 토크뿐 아니라 동기전동기의 역률특성에도 영향을 준다.

즉 동기전동기는 계자전류를 조절하여 무효전력을 조절할 수 있다는 중요한 특징을 가진다.

회전하는 회전자에 직류를 어떻게 공급할까?

회전자 권선은 축과 함께 회전한다.

따라서 외부의 정지된 직류전원을 회전자 권선으로 전달할 방법이 필요하다.

전통적인 방식에서는

슬립링

과

브러시

를 사용할 수 있다.

슬립링은 회전자와 함께 회전하고, 고정된 브러시가 그 표면과 접촉하면서 직류전류를 공급한다.

다만 현대의 대형 동기기에서는 유지보수를 줄이기 위해 브러시리스 여자방식을 사용하는 경우도 있다.

브러시리스 여자란 무엇일까?

브러시리스 여자방식에서는 회전축에 여자용 발전기 등을 구성하여 회전자 계자전류를 공급한다.

회전정류기를 이용하면 브러시와 슬립링 없이 회전자 계자권선에 직류를 공급할 수 있다.

이 방식은 브러시 마모와 접촉문제를 줄일 수 있기 때문에 대형 동기기에서 유리할 수 있다.

영구자석 동기전동기

영구자석 동기전동기에서는 회전자에 영구자석을 설치한다.

따라서 회전자 계자권선에 별도의 직류전류를 공급할 필요가 없다.

이를 흔히 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)이라고 한다.

영구자석을 이용하면 회전자 계자동손이 없고 높은 효율과 출력밀도를 얻는 데 유리할 수 있다.

현대의 서보모터, 전기자동차용 구동모터 등에서도 매우 중요한 구조다.

유도전동기 회전자와 무엇이 다를까?

농형 유도전동기의 회전자에는 도체바와 엔드링이 있다.

회전자계와 상대운동을 해야 회전자에 전압이 유도되고 전류가 흐른다.

즉 회전자 자계가 유도에 의해 만들어진다.

반면 동기전동기에서는 회전자 자계를

직류계자

또는

영구자석

등으로 직접 만든다.

따라서 회전자계와의 상대운동이 없어도 회전자 자계가 존재한다.

이 차이가 슬립 0에서도 토크를 만들 수 있는 근본적인 이유다.

동기전동기의 토크는 어떻게 발생할까?

두 개의 자석을 생각해보자.

N극과 S극은 서로 끌어당긴다.

같은 극은 서로 밀어낸다.

동기전동기에서도 고정자의 회전자계와 회전자 자계 사이에 비슷한 자기적 상호작용이 발생한다.

회전자 자계가 고정자 회전자계에 대해 적절한 각도차를 가지고 있으면 회전자를 끌고 가려는 토크가 발생한다.

회전자는 고정자의 회전자계를 따라가면서 같은 속도로 회전한다.

토크각이란 무엇일까?

동기전동기에서는 고정자의 회전자계와 회전자 자계축 사이에 일정한 각도차가 존재할 수 있다.

이를 토크각(Torque Angle) 또는 부하각이라고 한다.

일반적으로 δ로 나타낸다.

무부하에 가까울수록 필요한 토크가 작기 때문에 토크각도 작다.

부하가 증가하면 더 큰 토크가 필요하다.

그러면 회전자 자계가 고정자 회전자계에 대해 조금 더 뒤처지면서 토크각 δ가 증가한다.

즉 동기전동기에서는 부하가 증가한다고 회전속도가 감소하는 대신 토크각이 증가한다.

이 부분이 유도전동기와 매우 큰 차이다.

유도전동기에서는 부하가 증가하면

유도전동기에서 부하가 증가하면

속도가 감소한다.

→ 슬립이 증가한다.

→ 회전자 유도기전력이 증가한다.

→ 회전자 전류가 증가한다.

→ 토크가 증가한다.

즉 속도가 조금 변하면서 부하변화에 대응한다.

동기전동기에서는 부하가 증가하면

동기전동기는 정상적인 동기운전 범위에서는 속도가 그대로 유지된다.

부하가 증가하면

회전자는 순간적으로 고정자 회전자계에 대해 조금 뒤처진다.

→ 토크각 δ가 증가한다.

→ 전자기토크가 증가한다.

→ 새로운 토크각에서 부하와 평형을 이룬다.

즉 속도가 아니라 자계 사이의 각도가 변하면서 부하변화에 대응한다.

동기전동기의 속도는 얼마나 일정할까?

전원주파수가 일정하다면 동기전동기의 정상운전 속도는 극수로 정확히 결정된다.

Ns = 120f/P

따라서 부하가 허용범위 내에서 변하더라도 평균적인 정상속도는 변하지 않는다.

이것이 동기전동기의 가장 큰 특징 중 하나다.

예를 들어 60Hz 4극 동기전동기는 정상 동기운전 상태에서 1800rpm으로 회전한다.

부하가 증가한다고 1750rpm이나 1700rpm으로 정상운전하는 것이 아니다.

그렇게 되면 더 이상 동기상태가 아니다.

최대토크를 넘으면 어떻게 될까?

부하가 증가할수록 토크각 δ도 증가한다.

하지만 토크각을 무한히 증가시킬 수 있는 것은 아니다.

동기전동기의 단순화된 전력관계에서는

P ∝ sinδ

형태의 관계가 나타난다.

따라서 δ가 증가하면 전달 가능한 전력이 증가하지만 일정한 지점을 넘으면 더 이상 안정적으로 동기를 유지할 수 없다.

부하가 너무 커지면 회전자가 회전자계를 따라가지 못하고 동기에서 벗어날 수 있다.

이를 탈조(Pull-Out 또는 Loss of Synchronism)와 연결해서 이해할 수 있다.

유도전동기의 스톨과 동기전동기의 탈조는 다르다

유도전동기에서는 부하가 과도하면 속도가 떨어지고 슬립이 증가하면서 최대토크를 넘어 스톨에 가까워질 수 있다.

동기전동기에서는 속도를 조금씩 낮춰 토크를 계속 높이는 방식이 아니다.

동기상태에서는 속도가 일정하게 유지되다가 한계를 넘으면 자계 사이의 동기상태가 무너질 수 있다.

따라서 두 전동기의 과부하 거동도 다르다.

동기전동기의 회전자 구조

전통적인 동기기의 회전자 구조는 대표적으로

돌극형(Salient Pole)

과

원통형(Cylindrical Rotor)

으로 나눌 수 있다.

구조와 회전속도, 용도 등에 따라 사용방식이 달라진다.

돌극형 회전자

돌극형 회전자는 N극과 S극이 바깥쪽으로 돌출된 형태를 가진다.

극이 눈에 보일 정도로 명확하게 형성되어 있다.

일반적으로 극수가 많고 비교적 낮은 속도로 운전하는 동기기에 적합하다.

회전자의 직경은 비교적 크고 축방향 길이는 짧은 형태가 될 수 있다.

원통형 회전자

원통형 회전자는 회전자 표면이 비교적 매끄러운 원통형 구조다.

돌출된 자극이 크지 않고 계자권선이 회전자 슬롯에 배치된다.

고속운전에 유리한 기계적 구조를 만들 수 있다.

발전기에서는 고속 터빈과 결합하는 터보발전기 등에 원통형 회전자가 대표적으로 사용된다.

동기전동기에서도 운전조건에 따라 유사한 원리가 적용될 수 있다.

동기전동기에도 댐퍼권선이 있을 수 있다

일부 동기전동기의 회전자에는 농형 유도전동기의 회전자 바와 비슷한 구조의 댐퍼권선(Damper Winding)이 설치된다.

이를 제동권선이라고 부르기도 한다.

댐퍼권선은

기동을 돕거나,

속도진동을 완화하거나,

동기운전의 안정성을 높이는

역할을 할 수 있다.

특히 전통적인 동기전동기의 기동문제와 밀접한 관련이 있다.

동기전동기는 왜 기동이 어려울까?

이 부분은 다음 글의 핵심주제지만 기본적인 이유를 먼저 살펴보자.

정지해 있는 회전자 앞에서 고정자의 회전자계는 매우 빠른 속도로 회전한다.

회전자 N극과 S극은 회전자계의 극성이 빠르게 바뀌는 것을 바라보게 된다.

한 순간에는 시계방향 토크가 발생하고, 다음 순간에는 반대방향 토크가 발생할 수 있다.

회전자는 관성 때문에 이러한 빠른 토크변화에 즉시 따라가지 못한다.

결과적으로 평균 기동토크가 충분히 형성되지 않을 수 있다.

그래서 전통적인 동기전동기는 스스로 기동하기 어렵다는 특징이 있다.

그런데 PMSM은 잘 기동하지 않나?

현대의 영구자석 동기전동기는 인버터와 함께 사용하는 경우가 많다.

인버터는 처음부터 고정자 자계를 정격주파수로 빠르게 회전시키지 않는다.

낮은 주파수에서 시작해 회전자 위치에 맞춰 회전자계를 천천히 회전시키고 점차 속도를 높일 수 있다.

따라서 회전자가 회전자계를 따라가도록 제어하면서 기동할 수 있다.

즉 현대의 전력전자 제어가 동기전동기의 기동문제를 크게 바꾸어 놓았다.

동기전동기와 유도전동기의 역률 차이

유도전동기는 자속을 만들기 위해 전원으로부터 여자전류를 필요로 한다.

따라서 일반적으로 지상역률 특성을 가진다.

특히 무부하나 경부하에서는 역률이 낮아질 수 있다.

반면 직류여자 동기전동기는 회전자 계자전류를 조절할 수 있다.

이 계자상태에 따라 고정자전류의 무효성분이 변하고 역률을 조절할 수 있다.

부족여자란 무엇일까?

회전자 계자전류가 상대적으로 부족하면 동기전동기는 전원에서 더 많은 무효전력을 필요로 할 수 있다.

이 경우 고정자전류가 지상특성을 보일 수 있다.

이를 부족여자(Under Excitation) 상태라고 한다.

과여자하면 어떻게 될까?

계자전류를 증가시켜 과여자 상태로 만들면 동기전동기가 진상전류 특성을 나타낼 수 있다.

즉 전원계통에 무효전력을 공급하는 방향으로 동작할 수 있다.

이 특성 때문에 동기전동기는 기계적 부하를 구동하면서 동시에 계통 역률개선에 도움을 줄 수 있다.

동기조상기란 무엇일까?

축에서 유효한 기계적 부하를 거의 구동하지 않고 과여자 상태의 동기기를 운전하여 계통에 무효전력을 공급하도록 사용하는 장치를 동기조상기(Synchronous Condenser)라고 한다.

원리는 과여자 동기전동기의 진상 무효전력 특성을 이용한 것이다.

즉 동기기는 단순한 전동기뿐 아니라 계통의 전압과 무효전력 관리에도 이용될 수 있다.

유도전동기는 왜 이런 계자조절을 하지 못할까?

농형 유도전동기의 회전자 전류는 고정자 회전자계에 의해 자동으로 유도된다.

회전자 계자전류를 외부에서 독립적으로 조절할 수 있는 구조가 아니다.

따라서 일반적인 농형 유도전동기에서는 동기전동기처럼 회전자 계자를 직접 조절해 역률을 진상으로 만들 수 없다.

이것이 두 전동기의 중요한 차이 가운데 하나다.

동기전동기의 효율은 어떨까?

동기전동기는 설계와 운전조건에 따라 높은 효율을 얻을 수 있다.

특히 영구자석 동기전동기의 경우 회전자에 유도전류를 흘려 토크를 만들 필요가 없기 때문에 농형 유도전동기의 회전자 동손에 해당하는 손실을 줄일 수 있다.

하지만 영구자석 가격, 자석의 온도특성, 제어장치 등 다른 고려사항도 존재한다.

직류여자 동기전동기에서는 회전자 계자권선의 손실과 여자장치도 고려해야 한다.

동기전동기의 속도제어

동기속도는

Ns = 120f/P

이다.

극수는 운전 중 쉽게 바꾸기 어렵기 때문에 속도를 연속적으로 제어하려면 공급주파수를 조절하는 것이 핵심이다.

인버터를 사용하면 주파수를 변경하여 동기속도를 원하는 값으로 바꿀 수 있다.

예를 들어 4극 전동기에서

60Hz → 1800rpm

30Hz → 900rpm

이론적인 동기속도가 된다.

실제 동기전동기는 제어기가 회전자 위치와 자계를 적절하게 맞추면서 이 속도로 운전하도록 제어한다.

동기전동기와 유도전동기의 차이를 정리하면

유도전동기

회전자 자계 형성:

고정자 회전자계에 의해 전류가 유도됨

정상속도:

동기속도보다 낮음

슬립:

필요함

회전자 전류:

상대운동에 의해 유도됨

부하 증가:

속도 감소 → 슬립 증가 → 토크 증가

일반적인 역률:

지상

회전자 구조:

농형 또는 권선형

기동:

자체 기동 가능

동기전동기

회전자 자계 형성:

직류계자 또는 영구자석 등

정상속도:

동기속도와 같음

슬립:

정상운전에서 0

회전자 자계:

외부 여자 또는 영구자석으로 이미 존재

부하 증가:

속도는 일정하고 토크각 증가

역률:

계자상태에 따라 지상·1·진상 가능

회전자 구조:

계자권선형 또는 영구자석형 등

기동:

전통적인 구조에서는 별도 기동방법 필요

둘 중 어느 전동기가 더 좋은가?

무조건 한쪽이 우수하다고 볼 수는 없다.

유도전동기는

구조가 단순하고,

가격과 유지보수 측면에서 유리하며,

직입기동도 가능하기 때문에

일반 산업설비에 매우 널리 사용된다.

반면 동기전동기는

정확한 동기속도,

높은 효율 가능성,

역률조정 가능성,

고성능 속도·토크제어

등에서 장점을 가질 수 있다.

따라서 부하특성과 용량, 제어성능, 효율, 비용과 유지보수를 함께 고려해 선택해야 한다.

현대에는 경계가 더 복잡해졌다

과거에는 유도전동기와 동기전동기의 적용영역이 비교적 명확하게 구분되는 경우가 많았다.

하지만 오늘날에는 인버터와 고성능 제어기술의 발전으로 상황이 크게 달라졌다.

유도전동기도 벡터제어를 이용하면 매우 정밀한 토크제어가 가능하다.

영구자석 동기전동기는 높은 효율과 출력밀도를 바탕으로 다양한 가변속 구동에 활용된다.

따라서 현대 전동기 시스템은 전동기 본체뿐 아니라 인버터와 제어방식을 포함한 전체 구동시스템으로 비교하는 것이 중요하다.

자주 혼동하는 부분

첫째, 동기전동기는 정상운전에서 슬립이 0이다.

둘째, 슬립이 0이어도 회전자에 이미 자계가 존재하기 때문에 토크를 만들 수 있다.

셋째, 동기전동기의 속도는 부하에 따라 조금씩 떨어지는 것이 아니라 정상 동기상태에서는 일정하게 유지된다.

넷째, 부하가 증가하면 속도 대신 토크각이 증가한다.

다섯째, 동기전동기의 회전자 자계는 직류계자 또는 영구자석 등으로 만든다.

여섯째, 동기전동기는 계자전류를 조절하여 역률특성을 바꿀 수 있다.

일곱째, 모든 동기전동기가 브러시와 슬립링을 사용하는 것은 아니다.

여덟째, 현대의 PMSM은 인버터 제어를 통해 매우 원활하게 기동하고 속도를 제어할 수 있다.

아홉째, 유도전동기와 동기전동기는 둘 다 고정자 회전자계를 이용하지만 회전자 자계를 만드는 방식이 다르다.

마무리

동기전동기와 유도전동기의 가장 큰 차이는 회전자 자계가 어떻게 만들어지는가에 있다.

유도전동기에서는 고정자의 회전자계와 회전자 사이의 상대운동에 의해 회전자 전압과 전류가 유도된다.

따라서 토크를 만들기 위해서는 반드시 슬립이 필요하다.

회전자가 동기속도에 도달하면 상대운동이 없어지고 유도전류와 토크도 사라지기 때문에 정상적으로 동기속도까지 올라갈 수 없다.

반면 동기전동기는 회전자에 직류계자 또는 영구자석 등을 이용해 자체적인 자기장을 만든다.

따라서 회전자계와의 상대운동으로 회전자 전류를 유도할 필요가 없다.

고정자의 회전자계와 회전자 자계가 자기적으로 맞물리면서 동일한 속도로 회전한다.

그래서 정상운전에서

Nr = Ns

이고

s = 0

이다.

또한 부하가 증가했을 때 유도전동기는 속도가 감소하여 슬립을 증가시키는 반면 동기전동기는 속도를 그대로 유지하면서 토크각을 증가시켜 더 큰 토크를 만든다.

직류여자 동기전동기는 계자전류를 조절함으로써 역률을 지상, 거의 1 또는 진상 방향으로 조정할 수 있다는 특징도 있다.

이러한 특성 때문에 동기전동기는 단순한 회전기뿐 아니라 효율과 역률, 정밀한 속도제어가 중요한 설비에서 중요한 역할을 한다.

하지만 한 가지 큰 의문이 남는다.

회전자가 이미 회전자계와 같은 속도로 돌고 있다면 서로 자기적으로 맞물려 운전할 수 있지만, 처음 전원을 넣었을 때 회전자는 정지해 있다.

그런데 고정자의 회전자계는 전원을 넣는 순간부터 동기속도로 빠르게 회전한다.

정지된 회전자가 이 빠른 회전자계를 어떻게 따라잡을 수 있을까?

다음 글에서는 30번째 주제로 동기전동기는 왜 스스로 기동하기 어려운지, 그리고 댐퍼권선, 보조전동기와 인버터를 이용하면 어떻게 기동할 수 있는지 자세히 알아본다.