20편 – 동기전동기의 구조와 동기속도, 그리고 유도전동기와의 본질적 차이

전동기 이론에서 유도전동기를 충분히 이해했다면, 다음으로 반드시 넘어가야 할 장치가 바로 동기전동기이다. 동기전동기는 이름 그대로 회전자 속도가 전원의 주파수에 의해 결정되는 ‘동기속도’로 정확히 회전하는 전동기로, 산업 현장에서의 활용 목적과 운전 특성이 유도전동기와 근본적으로 다르다. 유도전동기가 슬립을 기반으로 토크를 발생시키는 반면, 동기전동기는 슬립이 존재하지 않는 상태에서 안정적으로 운전된다는 점에서 전동기 이론의 중요한 전환점이 된다. 이러한 차이를 이해하는 것이 동기전동기를 제대로 공부하는 첫걸음이다.

 

 

동기전동기의 구조는 기본적으로 고정자와 회전자로 이루어져 있으며, 고정자는 삼상 교류 전원을 공급받아 회전자계를 생성하는 역할을 한다. 이 부분은 삼상 유도전동기와 거의 동일하다. 그러나 결정적인 차이는 회전자에 있다. 동기전동기의 회전자는 유도전동기처럼 전류가 ‘유도’되는 구조가 아니라, 외부에서 **직류 전원(여자 전류)**을 공급받아 자극을 형성한다. 즉, 회전자는 이미 N극과 S극이 명확하게 형성된 자석과 같은 상태로 존재하며, 고정자에서 발생한 회전자계와 자석처럼 서로 끌어당기고 밀어내는 힘을 통해 회전하게 된다. 이 때문에 동기전동기는 회전자계와 정확히 같은 속도로 회전하며, 이를 동기속도라고 부른다.

 

동기속도는 전원의 주파수와 극수에 의해 결정되며, 그 공식은 유도전동기에서 배웠던 것과 동일하다. Ns = 120f / p라는 식은 동기기 전체에 적용되는 매우 중요한 공식으로, 동기전동기는 정상 운전 시 항상 이 속도를 유지한다. 여기서 중요한 점은 동기전동기는 부하가 변하더라도 속도가 변하지 않는다는 특성을 가진다는 것이다. 유도전동기는 부하가 증가하면 슬립이 커지면서 회전속도가 약간 감소하지만, 동기전동기는 일정 범위의 부하 변화에서는 속도가 완전히 일정하게 유지된다. 이 특성은 정밀한 속도 제어가 필요한 설비에서 매우 큰 장점으로 작용한다.

 

하지만 동기전동기에는 분명한 단점도 존재한다. 가장 대표적인 단점은 자기 기동이 불가능하다는 점이다. 회전자가 정지해 있는 상태에서는 고정자의 회전자계가 아무리 회전해도 회전자는 순간적으로 끌렸다가 밀리는 동작만 반복할 뿐, 연속 회전을 하지 못한다. 이 때문에 동기전동기는 반드시 기동 장치가 필요하며, 대표적으로 감쇠 권선(댐퍼 권선)을 이용한 유도 기동 방식이나, 외부 보조 전동기를 이용한 기동 방식이 사용된다. 감쇠 권선은 회전자 표면에 유도전동기와 유사한 구조를 만들어, 기동 시에는 유도전동기처럼 작동하다가 동기속도 근처에 도달하면 직류 여자에 의해 동기 운전에 들어가도록 돕는다.

 

동기전동기의 또 하나 중요한 특징은 역률을 자유롭게 조정할 수 있다는 점이다. 유도전동기는 항상 지상역률로 운전되는 반면, 동기전동기는 여자 전류의 크기를 조절함으로써 지상, 진상, 심지어는 역률 1에 가까운 상태로도 운전이 가능하다. 이 특성 때문에 동기전동기는 단순한 구동 장치가 아니라, 전력 계통의 역률을 개선하는 역할까지 수행할 수 있으며, 이러한 목적으로 사용되는 장치를 동기 조상기라고 부른다. 산업용 전력 설비에서 동기전동기가 중요한 이유가 바로 여기에 있다.

 

결국 동기전동기는 일정한 속도 유지, 높은 효율, 역률 조정이라는 강력한 장점을 가진 대신, 기동이 어렵고 구조가 복잡하며 유지관리가 필요하다는 단점을 함께 가진 전동기다. 전기기사 시험에서는 유도전동기와의 비교 문제, 동기속도 공식, 여자 전류 변화에 따른 특성, 기동 불가능 이유 등을 자주 묻기 때문에 두 전동기의 차이를 구조적·원리적으로 명확히 구분해 두는 것이 매우 중요하다. 동기전동기를 이해하는 순간, 전동기 이론은 단순 암기를 넘어 전력 계통과 설비 운용 전반을 아우르는 하나의 체계로 연결되기 시작한다.