유도기, 유도 전동기, 유도 발전기

유도 모터의 원리 이해

다음 그림과 같이 도체 원판 위에 자석을 회전 시키면 도체 원판이 회전한다 (☞ 아라고의 원판). 유도 모터는 기본적으로 이와 같은 원리로 동작한다.

 

 

유도 모터(Induction Motor)의 정지자에 AC 전원을 인가하면 회전자계를 만든다. 이 때 회전 자계의 회전 속도를 동기속도(Synchronous Speed)라고 하고 다음 식과 같다.

여기서, 동기속도의 단위는 RPM이고 전원의 주파수 단위는 Hz이다.

 

슬립(Slip) S는 회전 자계의 속도인 동기속도 N₀와 실제 회전자의 회전속도 N로 다음과 같이 정의한다.

무부하일 때 슬립은 거의 0이고 정격 부하일 때는 2~8% 정도이다. 부하가 증가할 수록 슬립은 증가한다.

 

유도모터의 슬립이 0일 때는 동기속도와 회전자 회전속도가 동일하다. 이 때 회전자에서 보는 자기장은 정지해 있기 때문에 회전자에 전류가 흐르지 않고 모터에서 토크가 발생하지 않는다.

 

슬립이 0이 아닐 때는 동기속도가 회전자 회전속도보다 빠르다. 이 때 회전자에서 보는 자기장은 N₀-N의 속도로 회전한다. 이와 같이 자기장이 회전하면 회전자에 전류가 흐르고 모터에서 토크가 발생한다.

 

손실이 전혀 없는 이상적인 경우에는 무부하일 때 슬립이 0이다. 이 때 동기속도와 회전자 회전속도가 동일하고 회전자에 전류가 흐르지 않고 토크는 0이다. 토크는 0이지만 손실이 없기 때문에 일정 속도로 회전하게 된다.

 

하지만, 실제에는 저항이 있기 때문에 회전자 회전속도는 저항에 의해 동기속도보다 낮아지게 된다. 그렇게 되면 회전자에 전류가 흘려 토크를 발생 시킨다. 이러한 토크는 저항을 극복하고 회전하도록 하는 힘이다.

 

유도기 슬립

유도기 슬립 s는 다음과 같다.

N_S는 동기속도이고 N은 회전자 실제속도이다.

 

유도 전동기 : 0 < s < 1

동기속도가 실제속도보다 빠름

유도 발전기 : 0 < s

동기속도가 실제속도보다 느림

유도 제동기 : 1< s

동기속도와 실제속도의 방향이 다름

회전 방향과 반대로 전류를 인가하여 제동

 

예를 들면, 슬립 0.2 회전자 속도 600 rpm일 때 동기속도는 600 / (1-0.2) = 750 rpm 이다.

 

동기와트의 의미

유도 전동기에서 동기와트 (Synchronous Watts)는 토크이다. 동기와트라고 표현하기 때문에 전력으로 착각하기 쉬운데 동기와트는 토크를 의미한다.

 

회전자에 가해지는 입력을 P₂라고 하고 이 때 슬립이 없는 동기속도 N_S로 회전하고 있다면 토크 T는 다음과 같다.

회전자에 입력되는 P₂ 가 1 W일 대 출력되는 토크는 60/(2π×N_S) [Nm] 이고 이 토크를 1 동기와트라고 한다.

즉, 1 동기와트는 60/(2π×N_S) [Nm] 이고, 2 동기와트는 2×60/(2π×N_S) [Nm] 이다.

 

1 동기와트는 동기속도로 회전하는 회전자에 1 W가 인가될 때 발생하는 토크이다.

 

유도 전동기에서 전압이 낮아질 때 전류

유도 모터에서 전압이 낮아질 때 전류가 어떻게 변하는지는 모터에 연결된 부하 특성에 따라 달라진다. 부하는 크게 정토크 부하와 자승저감토크 부하 2가지가 있다.

 

정토크 부하

정토크 부하는 속도에 상관없이 일정한 토크가 걸리는 부하이다. 

 

정토크 부하일 때 전압이 낮아지면 전압의 제곱에 비례하여 모터 토크가 감소한다. 그에 따라 속도가 감소하고 슬립이 증가한다. 슬립이 증가하여 전류가 증가한다.

 

자승저감토크 부하

자승저감토크 부하는 토크가 속도의 제곱에 비례하는 부하이다. 펌프나 팬 등이 자승저감토크 부하이다. 

 

자승저감토크 부하에 전압이 낮아지면 전압의 제곱에 비례하여 모터 토크가 감소한다. 그에 따라 속도가 감소한다. 속도가 감소하면 부하에서 요구하는 토크도 감소하기 때문에 전류가 그대로 이거나 또는 감소한다.

 

유도 모터일때만 위와 같은 특성을 가지고 직류 모터에서는 다른 특성을 가진다.

 

☞ 모터 부하의 종류