9편 – 동기기의 기본 원리와 동기 속도의 비밀

전기기사에서 동기기는 유도기와 함께 반드시 이해해야 하는 핵심 기계인데, 동기기는 구조와 원리에서 유도기와는 완전히 다른 특징을 가지고 있기 때문에 처음 접하는 수험생들에게는 다소 낯설게 느껴지기도 한다. 그러나 동기기의 본질을 이해하면 이 기계가 왜 ‘동기기’라고 불리는지, 왜 전력계통에서 필수적인 역할을 하는지 자연스럽게 이해할 수 있게 된다.

 

 

동기기는 발전기와 전동기로 모두 사용될 수 있으며, 교류 발전소에서 사용하는 거의 모든 발전기가 동기 발전기이기 때문에 전력계통의 뿌리를 이루는 기계라고 해도 과언이 아니다. 동기기의 가장 중요한 특징은 바로 회전자가 고정자에서 만들어지는 회전자기장과 동기(speed) 즉, 동일한 속도로 회전한다는 점이다. 이 말은 곧 회전자와 고정자의 자기장이 서로 맞물려 한 몸처럼 회전하기 때문에 회전자 속도가 일정하고, 외부 부하가 얼마만큼 걸리든 속도 자체는 전기적으로 고정된다는 것을 의미한다. 이러한 특성 때문에 동기기는 주파수와 전압의 기준을 유지해야 하는 발전 시스템에서 절대적으로 필요한 기계가 된다.

 

동기기의 회전 속도는 동기속도 Ns = 120f / P 라는 아주 중요한 식으로 결정되는데, 여기서 f는 전원의 주파수, P는 극수이다. 이 식은 전기기사 시험에서 여러 번 반복해서 등장하며, 단순히 외워야 하는 것이 아니라 동기기의 본질을 규정하는 핵심이다. 예를 들어 60Hz, 4극 기계라면 회전자는 1800rpm으로 정확히 돌아야 한다. 조금이라도 속도가 달라지면 전력계통의 주파수가 바뀌기 때문에 전력 시스템 전체의 안정성에 문제가 생긴다. 발전소에서 주파수를 60Hz로 유지하기 위해 터빈이 정확한 속도로 돌아야 하는 이유도 여기에 있다. 동기기는 회전자에 직류여자 전류를 공급하여 독립적인 자속을 만드는 구조를 가지고 있고, 이 자속과 고정자에서 생성된 삼상 교류 자속이 서로 잠겨 회전하는 ‘락(latch)’ 구조를 가지고 있다. 이 때문에 유도기처럼 슬립이 존재하지 않고, 회전 속도는 완전히 일정하게 유지된다.

 

또한 동기기는 **역률 조정 기능(전기기사 빈출)**이라는 매우 중요한 성질을 가지고 있다. 회전자에 공급하는 여자전류의 양을 조절함으로써 전동기가 과여자 또는 부족여자 상태가 되는데, 이를 통해 전력계통의 역률을 개선하거나 조정할 수 있다. 특히 공장이나 대규모 설비에 동기전동기를 설치해 무효전력을 보상하는 경우가 많으며, 이를 **동기조상기(Synchronous Condenser)**라고 부른다. 이는 동기전동기를 회전시키되 실제로는 기계적 부하를 연결하지 않고 무효전력만 교환하도록 운전하는 방식인데, 전력계통에서 매우 중요한 기능으로 사용된다. 시험에서도 동기조상기의 용도와 원리가 자주 등장한다.

 

동기기의 구조도 다양한데, 회전자 구조는 크게 원통형 회전자와 돌극형 회전자로 나뉜다. 원통형 회전자는 고속 운전에 적합하여 화력이나 원자력 발전소에서 주로 사용되며, 돌극형 회전자는 저속·다극이 필요한 수력 발전소에 사용된다. 고정자는 대부분 삼상 권선을 가지며, 철심은 규소강판을 적층하여 손실을 줄이고 효율을 높인다. 동기기는 구조가 복잡해 보이지만, 결국 ‘회전자에 직류로 자속을 만들고, 고정자에서 회전 자계를 만들어 두 자속이 동기 속도로 잠겨 돌아간다’라는 큰 원리를 이해하면 전체 흐름이 명확해진다.

 

이와 더불어 동기기의 병입 과정도 중요한 개념이다. 발전기가 계통에 병입되기 위해서는 전압, 주파수, 위상이 완전히 일치해야 하며, 이를 동기 병입이라고 한다. 만약 주파수나 위상이 맞지 않으면 엄청난 충격전류가 흐르고 설비에 큰 손상이 발생할 수 있기 때문에 병입 작업은 아주 정밀하게 이루어진다. 이러한 특징 때문에 동기기는 전력 시스템에서 가장 정교한 기계 중 하나로 취급된다. 시험에서도 동기 발전기의 병입 조건, 여자 조정, 동기속도, 구조 차이, 무효전력 보상 기능 등이 매우 자주 출제되므로 그 흐름을 이해하는 것이 핵심이다.

결국 동기기는 단순한 회전기 하나가 아니라 전력계통이라는 거대한 시스템의 심장 역할을 하며, 주파수를 유지하고 전압을 안정시키며, 필요할 경우 무효전력을 공급해 계통의 역률까지 조정하는 등 전기공학 전체에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다는 사실을 꼭 기억해야 한다.