동기기 정리와 기출문제

정답 ①

동기발전기에서 코일을 한 곳에 모아 감으면 집중권, 여러 슬롯에 나누어 감으면 분포권이라 합니다.

분포권은 여러 위치에 나뉜 코일이 각각 유도하는 기전력에서 고조파(파형을 일그러뜨리는 불필요한 성분)가 서로 상쇄되어, 합성 유기기전력의 파형이 정현파(매끈한 사인파)에 가까워집니다. 이 파형 개선이 분포권을 쓰는 주된 이유입니다.

핵심 오답 ③처럼 분포권은 기전력이 높아지는 것이 아니라 분포계수(1보다 작음)만큼 오히려 줄어듭니다. 파형은 좋아지고 기전력은 감소하는 트레이드오프 관계입니다. 나머지 ②누설 리액턴스 감소, ④열 분산으로 과열 위험 감소 역시 분포권의 실제 특성과 반대되는 설명이므로 틀렸습니다.

이런 문제가 나오면 → '분포권 = 파형 개선 + 기전력 감소'를 떠올리세요.

근거 : 정답 근거: 분포권은 여러 슬롯에 코일을 분산 배치하여 고조파 성분을 줄이므로 유기기전력의 파형이 집중권보다 좋아진다(정현파에 가까워짐).

정답 ②

선풍기 모터를 생각해 보세요. 모터 안에는 자석(극)이 몇 개 들어있는데, 극 수가 많아지면 빙글빙글 도는 속도(동기속도)가 느려져요. 반대로 극 수가 적으면 빨리 돌죠.

동기속도(일정한 회전 속도)를 구하는 공식은 $N_s=\frac{120f}{P}$인데, 이 문제는 거꾸로 극 수를 구하는 거예요.

공식을 뒤집으면: 극 수 = 120 × 주파수 ÷ 동기속도

$P=\frac{120 \times 60}{1800}$

$P=\frac{7200}{1800}=4$

그래서 정답은 4극, ②번!

이런 문제가 나오면 → "동기속도와 주파수가 주어졌구나, $N_s=\frac{120f}{P}$를 뒤집자!" 하고 떠올리면 됩니다.

근거 : 핵심 공식: $N_s=\frac{120f}{P}$. 암기팁: 상용 60Hz에서 극수별 동기속도(2극=3600, 4극=1800, 6극=1200, 8극=900rpm)를 표처럼 외워두면 빠르게 계산 가능하다.

정답 ④

선풍기 모터를 생각해 보세요. 모터는 전기의 진동수(주파수, 1초에 전기가 왔다 갔다 하는 횟수)에 맞춰 정해진 속도로 돌아가요. 이 정해진 속도를 '동기속도'라고 해요.

동기속도를 구하는 방법은 말로 하면 이렇습니다.

"120에 주파수를 곱하고, 극수로 나눈다."

공식으로 쓰면:

$N_s = \frac{120f}{P}$

여기에 문제의 값을 넣어봅시다.

- 주파수(f) = 50, 극수(P) = 10

- $N_s = \frac{120 \times 50}{10}$

- $120 \times 50 = 6000$

- $6000 \div 10 = 600$

그래서 답은 600rpm(분당 회전수)입니다.

이런 문제가 나오면 → '동기속도'라는 단어가 보이면 무조건 120×f÷P 공식부터 떠올리세요!

근거 : 핵심 공식: $N_s=\frac{120f}{P}$. 암기팁: 50Hz 기준 극수별 동기속도(2극=3000, 4극=1500, 10극=600rpm)를 표로 암기해 두면 빠르다.

정답 ①

우산을 상상해보세요. 우산은 폭은 넓은데 길이는 짧죠? 우산형 발전기도 똑같아요. 회전자(도는 부분)의 지름은 크고, 축(중심봉)의 길이는 짧습니다.

이런 '넓고 납작한' 구조는 크고 무거운 것을 천천히 돌릴 때 유리해요.

그래서 낙차(물이 떨어지는 높이)는 낮지만 물의 양이 많은 수력발전소에서, 천천히 돌면서(저속도) 큰 전력을 만드는(대용량) 발전기에 씁니다.

즉, 우산형 = 저속도 + 대용량 조합이에요.

이런 문제가 나오면 → '우산 = 넓고 납작 = 저속 대용량'으로 바로 ①번을 고르면 됩니다.

근거 : 정답 근거: 우산형 발전기는 수직축 구조로 회전자 지름이 크고 축 길이가 짧아 저속·대용량 수차 발전기(주로 낙차가 낮고 유량이 많은 수력발전소)에 적합하다.

정답 ①

동기발전기의 특성곡선 중 '단락곡선'이 어떤 두 양의 관계를 나타내는지 묻는 문제입니다.

단락곡선은 전기자 권선(출력 권선)의 3상을 모두 단락시킨 상태에서 계자 전류를 서서히 올리면서 그때 흐르는 단락 전류를 측정해 그린 곡선입니다. 가로축이 계자 전류, 세로축이 단락 전류이고, 자기포화가 거의 없어 대략 직선이 됩니다.

참고로 무부하 포화곡선은 '계자 전류-단자 전압' 관계이며, 이 두 곡선으로 단락비를 구합니다. 여자전류는 계자전류와 같은 말이라 그 둘의 짝은 성립하지 않고, 정격전류가 들어간 보기도 단락 시험 조건과 맞지 않습니다.

이런 문제가 나오면 → '단락곡선=계자전류↔단락전류' 짝을 통째로 외워 답하세요.

근거 : 정답 근거: 동기발전기의 3상 단락곡선은 전기자 권선을 단락한 상태에서 계자 전류를 변화시키며 측정한 계자 전류와 단락 전류의 관계를 나타낸 곡선이다(자기포화 없이 대략 직선).

정답 ③

두 발전기를 한 계통에 나란히 연결해 함께 돌리는 것이 병렬 운전인데, 이때 서로 '밀고 당기지' 않도록 조건을 맞춰야 합니다.

조건은 네 가지로, 기전력의 크기(전압), 주파수, 위상, 파형이 서로 같아야 합니다. 크기가 다르면 순환전류(두 발전기 사이를 도는 불필요한 전류)가 흐르고, 주파수나 위상이 다르면 동기화에 실패해 심하면 보호계전기가 동작합니다.

반면 임피던스(내부 저항 성분)는 발전기마다 설계가 다른 고유 특성이라 굳이 같을 필요가 없습니다. 실제로도 용량이 다른 발전기들을 병렬 운전합니다. 따라서 '같지 않아도 되는 것'은 기전력의 임피던스입니다.

이런 문제가 나오면 → 병렬 운전 조건 '크기·주파수·위상·파형' 4가지만 외우고 임피던스는 예외로 기억한다.

근거 : 정답 근거: 동기 발전기 2대의 병렬 운전 조건은 기전력의 크기·주파수·위상·파형이 서로 같아야 하지만, 내부 임피던스(발전기 고유 특성)는 병렬 운전의 필수 일치 조건이 아니다.

정답 ①

동기발전기는 내부 기전력 E와 단자전압 V 사이에 각도 δ(부하각)가 벌어져 있을 때 전력을 내보냅니다. 전기자 저항을 무시하면 회로에는 기전력 E와 동기 리액턴스 Xs만 남습니다.

이때 1상 출력은 P = EV ÷ Xs × sinδ 가 됩니다. 부하각 δ가 90°일 때 최대가 되는 사인(sin) 모양입니다.

비돌극형은 회전자가 원통형이라 어느 방향에서나 공극이 같아 Xs가 하나로 일정해 식이 이렇게 단순합니다. 돌극형이면 여기에 sin2δ 항이 추가됩니다. 보기에서 sinδ에 EV/Xs가 곱해진 ①만 이 식과 일치합니다.

이런 문제가 나오면 → '출력 = sinδ, 무효전력 = cosδ' 구분을 먼저 하세요.

근거 : 핵심 공식: 비돌극기 $P=\frac{EV}{X_s}\sin\delta$. 암기팁: '비돌극=단순 sinδ, 돌극=sinδ+sin2δ'로 구분한다.

정답 ①

동기전동기는 처음에 스스로 돌아가지 못해서 '자기동법(스스로 시동 거는 방법)'으로 기동해요.

비유하자면, 무거운 회전목마를 갑자기 최고 속도로 돌리면 위험하니 천천히 낮은 속도로 시작하는 것과 같아요.

자기동법의 핵심 3가지:

① 제동권선(농형 회전자에 넣어둔 막대 모양 도체)이 유도전동기처럼 토크를 만들어 냅니다.

② 기동전류가 너무 크면 안 되니까 정격전압의 절반 정도(30~50%)로 낮춰서 가동합니다.

③ 계자권선(회전자의 전자석 코일)에 위험한 고압이 유도되면 절연이 망가질 수 있어요.

선택지 ①은 '80%'라고 했는데, 80%는 거의 정격전압이라 기동전류 제한 효과가 부족해요. 그래서 틀린 설명입니다.

이런 문제가 나오면 → '자기동법 = 제동권선 + 저전압(30~50%) 기동'에서 숫자만 바꿔 놓은 함정을 찾으세요.

근거 : 정답 근거: 동기전동기 자기동법에서는 기동 시 계자권선에 고전압이 유도되어 절연이 파괴될 위험이 있어 계자권선을 저항을 통해 단락시키고, 기동전류를 제한하기 위해 전전압이 아닌 저전압(보통 정격의 30~50% 수준)을 인가하는 방식을 사용하므로 '80%' 수치는 부정확하여 틀린 설명이다.