22편 – 동기발전기의 원리와 유도발전기·동기전동기와의 차이

동기발전기는 현대 전력 계통의 중심에 있는 가장 중요한 발전기이며, 우리가 사용하는 교류 전력의 대부분은 동기발전기를 통해 생산된다. 동기발전기는 회전자의 자속과 고정자의 전기적 구조가 정밀하게 맞물려 일정한 주파수와 전압을 만들어내는 장치로, 안정적인 전력 공급을 위해 반드시 이해해야 할 핵심 기기이다.

 

 

전기기사 시험에서는 동기발전기의 기본 원리뿐 아니라, 유도발전기와의 차이, 그리고 동기전동기와의 구조적·개념적 비교가 반복적으로 출제되기 때문에 이 세 가지를 하나의 흐름으로 이해하는 것이 매우 중요하다.

 

동기발전기의 기본 원리는 회전자에 형성된 자계가 일정한 속도로 회전하면서 고정자 권선을 절단함으로써 기전력을 유기하는 데 있다. 회전자는 직류 전원을 통해 여자되며, 이로 인해 N극과 S극이 형성된다. 이 회전자가 원동기, 즉 터빈이나 엔진에 의해 회전하면, 고정자에는 회전자 자속의 변화에 따라 교류 전압이 발생하게 된다. 이때 발생하는 교류의 주파수는 회전자의 속도와 극수에 의해 결정되며, 동기속도라는 개념으로 표현된다. 따라서 동기발전기에서는 회전 속도가 곧 전력의 주파수를 결정하므로, 속도 제어가 곧 계통 안정과 직결된다고 볼 수 있다.

 

동기발전기의 가장 큰 특징은 출력 주파수가 항상 일정하다는 점이다. 이는 회전자가 고정자의 회전자계와 정확히 동기 상태를 유지하기 때문이다. 또한 여자 전류를 조절함으로써 출력 전압과 무효전력의 크기를 제어할 수 있어, 전력 계통 전체의 전압 안정도를 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 여자 전류를 증가시키면 출력 전압이 상승하고, 무효전력을 계통으로 공급하게 되며, 반대로 여자 전류를 감소시키면 무효전력을 흡수하게 된다. 이 특성 때문에 동기발전기는 단순한 발전 장치를 넘어 계통의 전압 조정 장치로서의 기능도 수행한다.

 

이와 비교되는 개념이 유도발전기이다. 유도발전기는 구조적으로 유도전동기와 동일하며, 외부에서 회전자를 동기속도보다 빠르게 회전시키면 발전기로 동작한다. 그러나 유도발전기는 자체적으로 자계를 만들 수 없기 때문에, 반드시 외부 전력 계통이나 콘덴서를 통해 무효전력을 공급받아야 한다는 한계를 가진다. 이로 인해 출력 전압과 주파수의 제어가 어렵고, 계통에 의존적인 특성을 보인다. 반면 구조가 단순하고 가격이 저렴하며 유지보수가 용이하다는 장점이 있어 풍력 발전 등 특정 분야에서 제한적으로 활용된다.

 

동기발전기와 유도발전기의 차이를 이해했다면, 다음으로 혼동하기 쉬운 대상이 바로 동기전동기와의 관계이다. 동기발전기와 동기전동기는 기본 구조가 거의 동일하며, 에너지의 흐름 방향만 반대일 뿐이다. 동기전동기는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하고, 동기발전기는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 따라서 하나의 기기가 상황에 따라 발전기 또는 전동기로 동작할 수 있으며, 이를 통해 에너지 변환의 가역성이 성립한다. 전기기사 시험에서는 이 점을 이용해 ‘동기전동기와 동기발전기의 차이’를 묻는 문제가 자주 나오며, 구조는 동일하지만 입력과 출력, 그리고 운전 목적이 다르다는 점을 정확히 서술하는 것이 중요하다.

 

결론적으로 동기발전기는 일정한 주파수, 우수한 전압 제어 능력, 그리고 계통 안정화 기능이라는 장점을 통해 대규모 전력 시스템의 핵심 역할을 수행한다. 유도발전기가 단순성과 경제성을 무기로 특정 영역에서 활용된다면, 동기발전기는 전력 품질과 안정성을 책임지는 중추적인 장치라고 할 수 있다. 전기기사로서 동기발전기의 원리와 다른 발전기 및 전동기와의 차이를 명확히 이해하는 것은 전력공학 전반을 관통하는 기본 소양이며, 실제 시험과 실무 모두에서 반드시 요구되는 핵심 역량이다.