동기기와 정류기 — 위상을 맞추고 방향을 정한다

동기기와 정류기는 합쳐서 4~5문항이다

이번 편에는 단원이 둘 들어 있다. 동기기와 정류기다. 시험에서 두 단원을 합쳐 대략 4~5문항이 나온다. 한 문항이 약 1.67점이니 이 편만으로 7점 가까이를 쥐는 셈이다. 그런데 왜 하필 둘을 묶었을까. 이유는 하나다. 둘 다 「맞추는 것」의 이야기이기 때문이다. 동기기는 회전하는 쪽과 전원의 위상(어느 주기의 어느 지점에 있는가 하는 시점)을 맞춘다. 정류기는 흐르는 방향을 한쪽으로 정한다. 위상을 맞추지 못한 발전기는 계통에 붙을 수 없고, 방향을 정하지 못한 다이오드는 정류기 구실을 못 한다. 두 단원의 문제 껍질은 다르지만 속은 같다. 「어긋나면 무슨 일이 생기는가」를 묻는다. 그 답을 이 편에서 전부 세워 두겠다. 예를 들어 병렬운전 문제는 「어느 조건을 어기면 어떤 전류가 도는가」를 묻는 문제다. 그 표를 이 안에서 다 외우면 된다.

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동기발전기는 회전계자형이 표준이다

결론부터 말한다. 발전기는 전기자를 멈춰 놓고 계자를 돌리는 구조가 표준이다. 이것을 회전계자형이라 부른다. 왜 그런가. 이유는 세 가지다. 첫째, 절연이 쉽다. 전기자(실제로 큰 전류가 나오는 코일)는 정지해 있으니 진동과 원심력을 안 받는다. 절연이 두껍게 가능하다. 둘째, 인출이 간단하다. 큰 전류를 밖으로 내보내는 선을 고정된 자리에서 그대로 연결하면 된다. 돌아가는 부분에서 수천 암페어를 끌어내려면 미끄럼 접촉부가 견뎌야 하는데, 그것은 어렵고 손해다. 셋째, 계자 쪽이 다루는 전력이 작다. 계자에 넣는 직류는 정격 출력의 몇 퍼센트에 불과하다. 작은 전력을 돌려서 보내는 편이 훨씬 낫다. 수도관으로 비유해 보자. 물 많은 큰 관은 고정해 두고, 수압을 만드는 작은 펌프만 돌리는 셈이다. 예를 들어 출력을 내보내는 전류가 1,000암페어인 발전기에서 계자 전류는 수십 암페어 수준으로도 충분한 경우가 많다. 그러니 돌리는 쪽에 작은 것을 얹는다. 시험에서는 이 세 이유를 뒤섞은 선지가 나온다. 「전기자를 돌리면 절연이 유리하다」는 선지는 거짓이다. 큰 전류 쪽은 돌리지 않는다. 그 한 줄만 기억하면 이 대목은 틀리지 않는다.

극수와 주파수가 회전수를 묶어 놓는다

동기발전기는 정해진 회전수로만 돌아야 정해진 주파수가 나온다. 이것이 동기속도다. 식은 유도전동기와 완전히 같다.

쓰는 법 · 주파수 60헤르츠에 극수 4극이면 $N_s = \frac{120 \times 60}{4} = 1800$ 회전수는 분당 1,800회다.

식을 읽는 법을 익혀라. 분자에 주파수가 있으니 주파수가 두 배면 회전수도 두 배다. 분모에 극수가 있으니 극수가 두 배면 회전수는 절반이다. 반비례가 분모에 붙었다는 뜻이다. 식을 거꾸로 쓰면 주파수를 구하는 식이 된다.

쓰는 법 · 극수 6극이 분당 1,200회로 돌면 $f = \frac{6 \times 1200}{120} = 60$ 주파수는 60헤르츠다.

왜 120이라는 숫자가 붙는가. 주파수는 초당이고 회전수는 분당이다. 그래서 60이 먼저 붙는다. 자석이 N과 S로 한 쌍을 이루니 극수를 2로 나눈다. 60에 2를 곱하면 120이다. 이 숫자가 왜 나왔는지 알면 외울 것도 줄어든다. 이 식이 뜻하는 바는 무겁다. 한국의 계통 주파수는 60헤르츠로 정해져 있다. 그러니 극수를 정하면 회전수가 자동으로 정해진다. 2극이면 분당 3,600회, 4극이면 1,800회다. 발전소의 수차와 터빈이 왜 그렇게 정확한 회전수를 지키는가. 주파수가 흔들리면 온 나라의 전기 시계가 흔들리기 때문이다. 시험은 이 식의 숫자 세 개 중 두 개를 주고 하나를 묻는다. 분자분모만 제대로 보면 나누기 곱하기 하나로 끝난다.

전기자 반작용은 부하 성질에 따라 세 갈래로 갈린다

전기자에 전류가 흐르면 전기자도 자기장을 만든다. 이 자기장이 계자의 자기장을 밀고 비틀거나 깎거나 보탠다. 이것이 전기자 반작용이다. 결과는 부하의 성질에 따라 세 갈래로 갈린다. 저항 부하면 교차자화작용, 코일 부하면 감자작용, 콘덴서 부하면 증자작용이다. 왜 갈리는가. 전류가 기전력과 어떤 위상 관계에 있는가가 열쇠다. 저항 부하에서는 전류가 기전력과 같은 위상이다. 그러면 전기자 자기장이 계자 자기장을 옆으로 비튼다. 자속이 밀려나 자기축이 비스듬해진다. 이것이 교차자화다. 코일 부하에서는 전류가 기전력보다 뒤진다. 전류가 뒤져 있다는 말은 시점이 늦다는 뜻이다. 이때 전기자 자기장은 계자 자기장을 정면에서 깎는다. 자속이 준다. 그래서 감자(자기를 깎음)작용이다. 콘덴서 부하에서는 전류가 기전력보다 앞선다. 그러면 전기자 자기장이 계자 자기장에 보탠다. 자속이 는다. 그래서 증자(자기를 늘임)작용이다.

시험에서 반복해 나오는 유형은 대응을 뒤집는 것이다. 「콘덴서 부하에서 감자작용이 일어난다」는 선지가 그것이다. 깎고 보태는 방향만 뒤집어 두면 함정에 걸리지 않는다. 예를 들어 코일 성질의 부하가 커서 전류가 30도 뒤지는 경우를 그려 보라. 전기자 자기장은 자극 바로 앞을 정면으로 때린다. 정면으로 맞으면 자속이 줄어든다. 그림 한 장을 머릿속에 두고 「뒤지면 정면, 앞서면 등 뒤에서 밀기」로 묶어라.

병렬운전 조건 — 다섯 가지가 어긋나면 각각 다른 사고가 난다

발전기 두 대를 한 모선에 붙여 쓰는 것이 병렬운전이다. 조건은 다섯이다. ① 기전력의 크기가 같다. ② 위상이 같다. ③ 주파수가 같다. ④ 파형이 같다. ⑤ 3상이면 상회전 방향이 같다. 이 다섯을 외우는 것만으로는 부족하다. 하나씩 어겼을 때 무슨 일이 나는지를 알아야 문제가 풀린다. 크기가 다르면 어떻게 되는가. 두 기전력의 차만큼 전류가 돈다. 이 전류는 무효전력을 옮기는 순환전류이다. 크기가 어긋나면 무효 순환전류다. 위상이 다르면 어떻게 되는가. 각도 차만큼 유효전력을 주고받는 전류가 돈다. 이것을 동기화 전류라 부른다. 위상이 어긋나면 유효 순환전류, 곧 동기화 전류가 흐른다. 이 둘을 바꿔 놓은 선지가 시험에 자주 나온다. 크기는 무효, 위상은 유효. 이 짝으로 못 박아라. 주파수가 다르면 어떻게 되는가. 두 발전기가 서로 앞섰다 뒤졌다 하며 위상차가 계속 변한다. 그러면 동기화 전류가 되풀이해서 흐르고, 심하면 계통에서 이탈한다. 이 흔들림이 다음 절의 난조로 이어진다. 파형이 다르면 어떻게 되는가. 파형끼리의 차가 고조파 전류로 돈다. 고조파 전류는 손실과 소음을 만든다. 상회전 방향이 다르면 어떻게 되는가. 3상의 순서가 어긋났으니 두 발전기가 서로 반대 방향의 회전자계를 만들려 한다. 맞물리지 않는다. 예를 들어 크기가 1볼트 어긋난 두 발전기를 붙이면, 그 1볼트 차를 지우려고 두 기계 사이에 전류가 계속 돈다. 출력은 늘지 않고 손실만 커진다.

난조와 제동권선

부하가 갑자기 바뀌면 회전자가 목표 회전수의 앞뒤로 흔들린다. 이 흔들림이 난조다. 헌팅이라고도 부른다. 왜 흔들리는가. 부하가 확 늘면 회전자가 한 박자 늦게 밀린다. 밀렸으니 동기화 전류가 당겨 준다. 당겨서 지나치면 이번엔 앞으로 나간다. 나가면 또 밀린다. 이렇게 앞뒤로 왕복한다. 그네를 한 번 밀면 저절로 멈추지 않고 몇 번을 오간다. 회전자도 같다. 흔들림을 그냥 두면 전압이 출렁이고 기계가 두들긴다. 그래서 흔들림을 재빨리 잡는 장치가 필요하다. 그것이 제동권선이다. 제동권선은 회전자 표면 둘레에 넣은 도체 막대다. 회전자가 정위치에서 흔들리면 도체가 자기장을 가로지르며, 다시 말해 자속을 끊으며 유도전류가 생긴다. 흔들리는 속도 방향과 반대로 제동이 걸린다. 그네에 손바닥을 대고 살짝 눌러 주면 곧 멈추는 것과 같다. 제동권선의 구실은 두 가지다. 난조를 막는 것. 그리고 동기전동기에서 기동토크를 만들어 주는 것. 뒤의 구실은 전동기 절에서 다시 나온다. 시험에서는 「난조 방지」와 「기동토크」 둘을 제동권선의 일로 묶어 놓은 선지를 자주 낸다. 하나만 골라 잡으려 하지 마라. 둘 다 옳다.

동기전동기의 위상특성곡선을 읽는 법

동기전동기 문제의 절반은 V자 곡선 하나로 풀린다. 위상특성곡선이다. 가로축에 계자전류, 세로축에 전기자 전류를 놓고 그리면 V자가 된다. 이 곡선을 읽는 법을 세 단계로 말한다. 첫째, V자의 바닥을 찾아라. 바닥은 전기자 전류가 가장 작은 점이다. 이 점에서 역률이 1이다. 전류가 최소라는 뜻이 곧 역률이 1이라는 뜻이다. 둘째, 바닥의 왼쪽을 보라. 계자전류가 부족한 영역이다. 전기자 전류는 늘고, 그 전류는 지상(전류가 뒤지는 상태)이다. 계자를 약하게 주면 전동기는 코일처럼 행동한다. 셋째, 바닥의 오른쪽을 보라. 계자전류가 과한 영역이다. 전기자 전류는 다시 늘고, 그 전류는 진상(전류가 앞서는 상태)이다. 계자를 세게 주면 전동기는 콘덴서처럼 행동한다. 그래서 곡선이 V자가 된다. 양쪽으로 가면 전류가 모두 늘고, 한가운데서 최소가 되는 것이다. 예를 들어 계자전류를 정격의 절반쯤으로 줄이면 전기자 전류는 눈에 띄게 불어난다. 이때 전류는 뒤진다. 다시 계자전류를 바닥보다 훌쩍 넘게 주면 전류는 또 불어난다. 이번엔 앞선다.

이 곡선의 쓰임은 공장에 있다. 동기전동기를 계자전류를 넉넉히 주고 돌리면 진상 전류를 내놓는다. 그 전류로 같은 모선에 붙은 유도전동기들의 지상 전류를 상쇄한다. 역률 개선용으로 쓰는 것이다. 다음 절의 동기조상기가 바로 이 원리만 뽑아낸 장치다.

동기조상기 — 전동기를 콘덴서처럼 쓰는 발상

동기조상기는 동기전동기를 무부하로 돌리며 계자전류만으로 역률을 조절하는 장치다. 축에는 아무것도 연결하지 않는다. 출력은 0이다. 다만 계자전류를 V곡선의 오른쪽 영역으로 밀어 진상 전류를 만들어 내거나, 왼쪽으로 당겨 지상 전류를 만들어 낸다. 무부하라는 점이 핵심이다. 축에 일을 시키지 않으니 전동기의 남는 능력 전부를 전류의 성질을 바꾸는 데 쓴다. 전력용 콘덴서와 비교해 보라. 콘덴서는 진상 쪽으로만 쓸 수 있다. 지상 전류가 필요한 경우에는 도리가 없다. 동기조상기는 계자전류 하나로 양쪽 다 간다. 진상도 지상도 된다. 이것이 첫째 장점이다. 둘째 장점은 조절이 매끄럽다는 것이다. 계자전류를 돌리면 되니 단계 없이 이어지는 조절이 된다. 예를 들어 공장 모선에 지상 무효전력이 넘쳐 역률이 0.8까지 떨어진 경우를 보자. 동기조상기를 붙이고 계자전류를 올리면 진상 전류가 나와 무효전력을 덜어 낸다. 역률이 0.95를 향해 올라간다. 시험은 「무부하로 돌린다」와 「양쪽으로 쓸 수 있다」를 노린다. 「축에 부하를 걸고 돌린다」는 선지는 틀렸다. 부하를 걸면 그것은 그냥 전동기다.

동기전동기는 스스로 기동하지 못한다

결론은 못 박혀 있다. 동기전동기는 정지 상태에서 스스로 띄울 수 없다. 왜인가. 고정자에 3상 교류를 넣으면 회전자계가 생긴다. 이 자기장은 정지해 있는 회전자 기준으로 순식간에 지나간다. 회전자의 무게는 관성 때문에 그 속도를 따라잡지 못한다. 자기장이 끌어당기는 쪽으로 돌기도 전에, 자기장이 반대쪽으로 가버린다. 당기고 미는 것이 한 주기 안에서 서로 상쇄된다. 그래서 평균 토크가 0이다. 돌지 않는다. 그렇다면 어떻게 띄우는가. 두 방법이 있다. 첫째, 제동권선을 이용한다. 회전자 표면의 도체 막대를 이용해 유도전동기처럼 띄운다. 가속해서 동기속도 근처까지 올린 뒤 계자에 직류를 넣는다. 그러면 회전자가 자기장에 붙는다. 동기로 끌어들인다. 둘째, 기동전동기를 쓴다. 작은 전동기로 본체를 돌려 동기속도까지 올리는 방법이다. 이 성질은 장단점의 뿌리다. 스스로 못 띄우니 기동이 번거롭다. 그러나 한번 동기속도에 붙으면 회전수가 하중과 무관하게 정확히 고정된다. 정속 운전이 필요한 곳에 쓰는 이유다. 예를 들어 정밀한 속도가 필요한 압축기나 펌프 구동에 어울린다. 기동 문제가 나오면 「제동권선」과 「기동전동기」 둘을 떠올려라.

다이오드 — 전류를 한쪽으로만 보내는 소자

다이오드는 전류를 한쪽 방향으로만 흘리는 소자다. 순방향이라 할 때는 잘 흐른다. 역방향이라 할 때는 막는다. 체크밸브를 떠올려라. 수도관의 체크밸브는 물이 한쪽으로만 갈 때 열리고, 반대로 가려 하면 닫힌다. 다이오드가 그 밸브다. 이 단순한 성질 하나로 교류를 직류로 바꾼다. 교류는 방향이 주기적으로 바뀐다. 바뀌는 방향 중 하나만 통과시키면 남는 것은 한 방향의 전류다. 이것이 정류이다. 다이오드를 여러 개 쓰는 이유를 보자. 전압이 높은 자리에서는 다이오드 하나가 감당해야 할 역방향 전압이 넘칠 수 있다. 그래서 직렬로 잇는다. 직렬로 이으면 과전압을 나눠 진다. 저항을 직렬로 이으면 전압이 나뉘는 것과 같은 원리다. 전류가 큰 자리에서는 한 다이오드가 감당할 전류가 넘친다. 그래서 병렬로 잇는다. 병렬로 이으면 과전류를 나눠 진다. 두 갈래로 흐르면 각각의 몫이 절반이다. 예를 들어 400볼트를 막아야 하는 자리에 다이오드 두 개를 직렬로 잇으면 하나가 맡는 몫은 대략 절반씩으로 나뉜다. 시험 문장은 이렇게 나온다. 「다이오드를 직렬 연결하는 이유는 무엇인가.」 답은 과전압 분담이다. 병렬을 물으면 과전류 분담이다. 짝만 틀리지 마라.

정류회로 — 반파에서 3상 전파까지

정류회로 네 가지의 직류 평균값을 한 줄에 놓고 보자.

쓰는 법 · 실효값 100볼트를 단상 전파로 정류하면 $E_d = 0.9 \times 100 = 90$ 직류 평균은 90볼트다.

쓰는 법 · 같은 100볼트를 3상 전파에 넣으면 $E_d = 1.35 \times 100 = 135$ 직류 평균은 135볼트다.

숫자가 왜 이렇게 커지는가. 끊기는 구간이 줄어들기 때문이다. 단상 반파는 파형의 절반을 버린다. 쉬는 구간이 길다. 단상 전파는 파형 전체를 뒤집어서 아래쪽까지 살린다. 버리는 구간이 없다. 그래서 값이 정확히 두 배가 된다. 0.45에서 0.9로 두 배인 것은 우연이 아니다. 3상 반파는 세 개의 파가 돌아가면서 하나가 이어 받는다. 골이 얕아진다. 3상 전파는 여섯 개의 고개를 잇는다. 골이 거의 없다. 그래서 평균값이 가장 높다. 맥동률은 정반대 방향으로 간다. 맥동률은 직류 속에 남은 물결의 크기다. 단상 반파가 가장 크고 3상 전파가 가장 작다. 값이 커지는 순서와 맥동률이 작아지는 순서가 같다는 점을 함께 놓아 두어라. 평균이 높다는 것은 골이 얕다는 말과 이어진다. 계수 넷을 외우는 요령은 이렇다. 단상은 0.45와 0.9, 배수 관계. 3상은 1.17과 1.35. 단상 전파와 3상 전파가 같은 배가 아니라는 점만 조심하면 섞이지 않는다.

사이리스터와 그 친척들

사이리스터는 다이오드에 문 하나를 단 소자다. SCR이라 부른다. 켜지는 조건을 정확히 적는다. 순방향 전압이 걸린 상태에서 게이트에 신호를 주면 켜진다. 한번 켜지면 게이트의 손을 떼도 켜져 있다. 전류가 유지전류 밑으로 떨어질 때까지 켜져 있다. 이것이 SCR의 성질 전부다. 문을 여는 열쇠는 게이트지만, 닫는 열쇠는 게이트가 아니다. 전류를 끊어야 닫힌다. 이 점을 뒤집어 묻는 문제가 반복해 나온다. 「게이트 신호를 제거하면 꺼진다」는 선지는 거짓이다. SCR은 단방향 3단자 소자다. 단방향은 전류가 한쪽으로만 흐른다는 뜻이고, 3단자는 양극·음극·게이트 세 개의 단자가 있다는 뜻이다. 친척들을 같은 잣대로 갈라 보자. TRIAC은 양방향 3단자다. 양쪽으로 다 흘리고 게이트도 있다. 교류를 통째로 다루는 조광기에 어울린다. SSS는 양방향 2단자다. 게이트가 없다. DIAC도 양방향 2단자다. TRIAC을 켜 주는 방아쇠 구실을 한다. GTO는 게이트로 끌 수 있는 SCR이다. 이름 그대로다. 이름이 섞이는 것을 맞으려면 두 잣대만 들고 가라. 방향성(단방향인가 양방향인가)과 단자 수(2단자인가 3단자인가). 예를 들어 「양방향이면서 3단자」를 물으면 TRIAC 하나다. 「단방향 3단자」면 SCR이다. 표로 만들어 두는 편이 안전하다.

표에서 SSS와 DIAC은 방향성과 단자 수가 같다. 특징 칸의 구실로 갈라 두었다.

이 단원에서 이름이 서로 섞이는 지점

이 단원에서 이름이 섞이는 지점은 크게 셋이다. 첫째, 감자와 증자를 뒤집는 것이다. 지상 전류를 만나면 자속이 줄어든다. 감자다. 진상 전류를 만나면 자속이 늘어난다. 증자다. 학습자는 「코일이니까 늘어난다」고 감을 잡는다. 코일은 전류를 늦출 뿐, 자속을 늘리지 않는다. 늦춘 결과로 깎는다. 인과의 끝부분만 보고 거꾸로 외우면 틀린다. 「뒤진 전류는 깎고 앞선 전류는 보탠다」를 다시 한 번 읽어라. 둘째, 동기발전기와 동기전동기의 문제를 섞는 것이다. 병렬운전 조건은 발전기의 이야기다. 기동을 못 하고 제동권선으로 띄우는 것은 전동기의 이야기다. 「동기전동기의 병렬운전 조건을 고르시오」라는 꼴로 섞어 내는 선지가 나온다. 조건 다섯은 발전기 쪽에 붙어 있다. 전동기 쪽에 붙은 것은 기동이다. 주어가 발전기인지 전동기인지를 먼저 확인하라. 셋째, 소자의 단자 수와 방향성을 섞는 것이다. 단방향이면서 2단자인 다이오드와, 단방향 3단자인 SCR을 한 덩어리로 묶어 두면 문제에서 갈라내지 못한다. TRIAC의 「TRI」는 셋을 뜻한다. 3단자라는 이름이 이미 안에 들어 있다. DIAC의 「DI」는 둘이다. 2단자다. 이름 자체가 잣대를 주니 그것을 쓰라. 예를 들어 「양방향 소자이면서 게이트가 없는 것」을 물으면 SSS와 DIAC만 남는다. 단자 수로 한 번 더 갈라라.

소자와 정류회로 대조표

위에서 다룬 소자와 정류회로를 한 표에 모았다. 시험 직전에 이 표만 다시 보라.

두 단원을 한 번에 점검하라

복습은 두 낱말로 하라. 동기기는 위상, 정류기는 방향이다. 동기기 쪽을 다시 볼 때는 이 순서로 훑어라. 회전계자형의 세 이유. 동기속도 식. 전기자 반작용의 세 갈래. 병렬운전 조건 다섯. 난조와 제동권선. V곡선의 바닥과 양쪽. 그리고 기동을 못 하는 이유. 정류기 쪽은 이 순서다. 다이오드의 한 방향. 직렬은 전압 분담, 병렬은 전류 분담. 네 정류회로의 계수와 맥동률. 소자의 방향성과 단자 수. 마지막에 대조표를 한 번 더 보면 끝난다. 예를 들어 스스로 시험을 내 보라. 「계자전류를 늘리면 전기자 전류는 어떻게 되는가.」 V곡선의 오른쪽을 그리면 답이 나온다. 「단상 전파에 100볼트를 넣으면 직류 평균은 얼마인가.」 90볼트다. 이렇게 물음을 만들고 답하는 것이 등불 아래에서 표를 다시 읽는 것보다 오래 남는다. 이 편의 문항들을 다시 풀어 보며 어긋난 지점이 어디였는지를 스스로에게 물어라. 그 물음이 다음 편의 밑천이 된다.