농형 3상 유도전동기

3. 구조

농형 유도 전동기의 회전자는 축 위에 원통형으로 장착된다. 회전자 내부에는 길이 방향의 도체 막대(주로 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 사용)가 홈에 삽입되어 있고, 양쪽 끝은 단락 링으로 연결되어 다람쥐 쳇바퀴 모양을 형성한다.^[10]

4. 이론

3상전류를 통해 회전 자계를 설정하는 유도 전동기의 고정자 권선에서, 이 자기장과 회전자 사이의 상대적인 움직임은 도체 막대에 전류를 유도한다. 회전자는 자기장과 함께 회전하지만, 약간 느린 속도로 회전한다. 철심 전동기는 도체를 통해 자기장을 형성하는 역할을 한다.^[2]

회전자의 자기장이 시간에 따라 바뀌므로, 코어는 변압기 코어와 유사하게 구성되어 에너지 손실을 줄인다. 이는 코어 순환 와전류를 줄이기 위해 절연 바니시로 구분된 얇은 박판으로 만들어진다. 전동기 막대의 모양과 깊이는 유도 전동기의 속도-토크 특성을 다양화하는 데 사용될 수 있다. 표피 효과로 인해 유도 전류는 바깥쪽 가장자리에서 흐르기 쉽다. 전동기가 가속화되면, 슬립 주파수가 감소하고 굴곡의 더 큰 깊이에서 유도 전류가 흐른다.^[3]

모터 회전자는 샤프트에 장착된 원통형이며, 내부에는 세로 방향의 전도성 막대(주로 알루미늄 또는 구리)가 홈에 삽입되어 양쪽 끝에서 단락 링으로 연결되어 다람쥐 쳇바퀴 모양을 형성한다. 회전자의 고체 코어는 전기 강철 적층판을 쌓아 구성된다. 회전자 적층판은 고정자 적층판보다 더 많은 슬롯을 가지며, 회전자 슬롯 수는 시동 시 회전자와 고정자 치아가 자기적으로 맞물리는 것을 방지하기 위해 고정자 슬롯 수의 비정수 배수여야 한다.^[2]

회전자 막대는 구리 또는 알루미늄으로 만들 수 있다. 소형 모터의 일반적인 구조는 적층판을 쌓은 후 다이캐스팅 알루미늄을 회전자에 부어 넣는 것이다. 대형 모터는 엔드 링에 용접 또는 브레이징된 알루미늄 또는 구리 막대를 사용한다. 다람쥐 쳇바퀴 권선에서 발생하는 전압은 매우 낮고 전류는 매우 높기 때문에 막대와 회전자 강철 사이에 의도적인 절연층은 없다.^[3]

유도 전동기의 고정자 내 계자 권선은 회전자를 통해 회전 자기장을 형성한다. 이 자기장과 회전자 사이의 상대적인 움직임은 전도성 막대에 전류를 유도한다. 이 전류는 전동기의 자기장과 반응하여 회전자에 접선 직교 방향으로 작용하는 힘을 생성하여 샤프트를 회전시키는 토크를 발생시킨다. 회전자는 자기장과 함께 회전하지만 약간 느린 속도로 회전하며, 이 속도 차이를 ''슬립''이라고 하며 부하가 증가함에 따라 증가한다.

도체는 소음을 줄이고 토크 변동을 완화하기 위해 회전자의 길이를 따라 약간 기울어져 있다(Skewing). 이는 회전자 막대의 동일한 부분이 항상 각 고정자 슬롯 아래에 있도록 함으로써 가능하다. 회전자 막대가 고정자 극과 평행하다면, 각 막대가 고정자의 틈새를 통과할 때 모터는 토크가 감소했다가 회복되는 현상을 겪을 것이다.

회전자의 막대 수는 유도 전류가 고정자 코일로 얼마나 많이 다시 공급되는지, 따라서 코일을 통과하는 전류를 결정한다. 가장 적은 피드백을 제공하는 구조는 소수의 회전자 막대를 사용한다.

농형 3상 유도 전동기는 다양한 크기의 단상 및 3상 전동기에 동일한 기본 설계를 사용한다. 3상 전동기의 회전자는 설계 분류에 맞게 막대의 깊이와 모양에 변형을 가한다. 일반적으로 두꺼운 막대는 토크가 좋고 낮은 슬립에서 효율적이다. 기전력에 대한 저항이 낮기 때문이다. 슬립이 증가함에 따라 표피 효과가 시작되어 유효 깊이를 줄이고 저항을 증가시켜 효율을 감소시키지만 토크는 유지한다.

회전자 막대의 모양과 깊이를 사용하여 유도 전동기의 속도-토크 특성을 변경할 수 있다. 정지 상태에서 회전하는 자기장은 높은 속도로 회전자 막대를 통과하여 선형 주파수 전류를 회전자 막대로 유도한다. 표피 효과로 인해 유도된 전류는 권선의 바깥쪽 가장자리에서 흐르는 경향이 있다. 전동기가 가속됨에 따라 슬립 주파수가 감소하고 유도된 전류는 권선의 더 깊은 곳에서 흐른다. 회전자 막대의 프로파일을 테이퍼지게 하거나, 고 임피던스와 저 임피던스 회전자를 병렬로 결합한 이중 농형 회전자를 구성함으로써 전동기는 정지 상태 및 동기 속도 근처에서 더 많은 또는 더 적은 토크를 생성하도록 배열할 수 있다.^[3]

5. 특징

단상 유도전동기와 달리, 3상 교류만으로 회전 자계를 발생시킬 수 있어 회전자계를 만들기 위한 별도의 장치가 필요없다.^[1] 권선형 삼상 유도전동기나 정류자 전동기에 비해 구조가 간단하고 저렴하며, 회전자에 절연부가 없어 고열에 강하고 과부하 내량이 크다. 브러시나 슬립 링 같은 마모·접촉 통전 부분이 없어 보수가 간단하고 견고하다.^[5] 반면, 시동 토크가 작고 회전 속도 조정 범위가 좁다.^[1]

3상 전원 중 두 극을 바꾸어 정회전과 역회전을 바꿀 수 있다. 특수한 경우, 전동기는 회전자계에 맞춰 회전하려 하므로, 2차측 회전이 전동기 회전보다 빠르면 제동력(브레이크)으로 작용한다.

5. 1. 장점

• 구조가 단순하고 가격이 저렴하다.
• 회전자에 절연부가 없어 고열에 강하고 과부하 내량이 크다.
• 브러시나 슬립 링과 같은 마모·접촉 통전 부분이 없어 수명이 길고 유지보수가 용이하다.(수년간의 연속 운전이 가능)^[5]
• 단상 유도 전동기와 달리, 3상 교류만으로 회전 자기장을 발생시킬 수 있어 별도의 기동 장치가 필요 없다.

5. 2. 단점

6. 특성

총 자속이 철심의 포화 자속에 의해 제한되므로, 권선의 유기 전압은 회전수에 비례하며, 여기에 부하 전류에 의한 권선의 전압 강하를 더한 것이 단자 전압이 된다.

이러한 특성 때문에 순간적인 회전수에 비례하는 전압과 주파수의 교류로 운전하면, 효율이 높은 속도 제어가 가능하다. 이러한 제어 방식을 VVVF라고 부른다. 그러나 과거에는 임의의 주파수와 전압을 자유롭게 만드는 것이 매우 어려웠기 때문에, 상용 주파수 전원으로 운전되었다. 따라서 기동 토크가 낮고 큰 모터를 사용하는 등 여러 제약이 있었다.

전력 반도체 소자가 등장하면서 현재는 인버터를 사용한 가변 전압 가변 주파수 제어가 쉬워졌고, 이전의 제어 방식보다 소형화 및 고효율화가 가능해져 급속하게 이 방식으로 바뀌고 있다. 현재 교과서나 전문서의 해설은 대부분 이전의 고정 주파수를 전제로 기술되어 있으므로, 가변 주파수 동작에서는 슬립률을 슬립 주파수로 바꾸어 고찰하는 등 적절한 변환이 필요하다.

특수한 사용법으로, 전동기는 회전 자계에 상응하는 축 회전을 하려고 하기 때문에, 2차 측의 회전이 전동기 회전을 초과하는 경우 전동기 회전으로 되돌리려는 힘이 작용하므로 발전 제동으로 사용할 수도 있다. 이는 시동과 속도 제어를 겸하는 방법이다.^[8]

인버터 방식, 즉 가변 전압 가변 주파수 제어는 교류 입력을 대전력 반도체 소자(IGBT, GTO 사이리스터, 수은 정류기 등)를 사용한 인버터를 통해 (회전수) 주파수에 비례하는 교류 전압을 발생시켜 (전압 V/주파수 f=일정 제어), 속도를 조정하는 방식이다. 모터의 역기전력에 회로의 임피던스(전압) 강하를 더한 전압을 가하는 것이 특징이며, 이는 직류기 시동법과 공통되지만, 교류이기 때문에 제어 요소로 주파수와 위상이 추가된다.

VVVF 제어 방식의 장점과 단점은 다음과 같다.

7. 시동법

농형 3상 유도전동기를 시동할 때는 다음 사항들을 고려해야 한다.^[6]

• 전원이 허용할 수 있는 시동 전류
• 고정자 권선의 시동 전류에 의한 전자기력에 대한 내력
• 회전자 도체의 기동 시 발생하는 열

각 시동법에 대한 자세한 내용은 해당 하위 섹션을 참조하면 된다.

7. 1. 전전압 시동법

• 전동기 외부에 부착하는 시동 장치가 필요 없으므로 저렴하다.
• 시동 전류가 매우 크다.
• 시동 토크가 비교적 크다.
• 다른 부하에 미치는 영향이 크다.^[7]
• 소형 전동기에 널리 사용된다.
• 중대형 전동기에서도 다른 부하에 미치는 영향이나, 고정자 권선의 시동 전류 및 시동 중 전동기 온도 상승을 허용할 수 있다면 이 방법이 좋다.
• 중대형 농형 3상 유도 전동기에서 전 전압 시동법을 사용하는 경우, 시동 전류 억제 및 시동 토크 향상 등을 위해 특수 농형 회전자가 사용되는 경우가 있다. 이는 회전자를 가로지르는 자계의 주파수가 시동 시에는 높고, 회전수가 올라가면 낮아지는 것을 이용하여, 시동 시 회전자 회로(2차 회로)의 저항이 높아지도록 회전자 구조를 설계함으로써 시동 전류의 억제 및 시동 토크의 증대를 도모하는 것이다. 특수 농형 회전자는 구조에 따라 깊은 홈 농형과 이중 농형으로 분류된다.

7. 2. Y-Δ 시동법

• 별도의 시동 장치가 필요 없으며, 감전압 시동법 중에서 가장 저렴하다.
• 시동 전류가 전 전압 시동법의 3분의 1이 된다.
• 시동 토크가 정격의 3분의 1로 작다.
• 제어 장치로부터의 배선 심선 수에 관하여, 직접 기동의 경우 최소 3심으로 충분한 반면, Y-Δ 기동은 최소 6심이 필요하다.
• 오픈 방식의 경우, 전환 시 충격이 있다. 전환 타이밍에 따라 서지(surge) 발생으로 인해 보호 장치가 동작할 수 있다.
• 클로즈드 방식의 경우, 저항의 발열로 인해 기동 간격이 제한될 수 있다.
• 전기에 관한 전문 지식이 부족한 사람이 점검·보수를 할 경우, 시동용과 운전용 전자 접촉기를 동시에 투입하거나, 배선 미스로 전원 단락 사고를 일으킬 수 있으므로 주의해야 한다.

7. 3. 리액터 시동법 / 쿠자 시동법

• 시동 전류에 비해 시동 토크가 작다.^[7]
• 시동 장치는 저항 또는 리액터이며, 변압기를 사용하는 콘돌파법 등에 비해 저비용이다.^[7]

7. 4. 콘돌파법

• 기동 장치가 변압기이므로, 리액터 기동이나 autotransformer 기동보다 고가이다.
• 기동 전류에 비해 기동 토크가 작다.
• 기동에서 운전으로 전환할 때의 쇼크가 적다.

7. 5. 극수 변환법

• 단계적인 속도 제어가 가능하다. (극수가 배가 되면 속도는 약 절반이 된다. 예를 들어 4극과 8극의 변환)^[1]
• 고빈도의 속도 전환에는 적합하지 않다.^[1]
• 주요 극수 이외에서는 효율이 나쁠 경우가 있다.^[1]

7. 6. 가변 주파수 시동법 (VVVF)

• 높은 시동 토크와 고효율로 소형 모터를 사용할 수 있다.
• 부드러운 속도 제어가 가능하며, 운전 중 연속적인 속도 제어가 필요한 경우에 유용하다.
• 일반적인 전동기를 사용할 수 있는 경우가 많아, 기존 설비 개조에 적합하다.
• 고조파 대책이 필요하다.
• 토크 맥동에 의한 부분 공진이 발생할 수 있다.
• 인버터 고장 시 상용 전원 직결 운전이 가능한 회로 구성을 하는 것이 일반적이지만, 대용량 기기에서는 감전압 시동 계통의 시동 회로를 병설해야 한다.

8. 크롤링 현상

크롤링(차동기 운전)이란 기동 시 동기 속도의 1/7 부근에서 토크의 골이 생겨 부하가 요구하는 토크보다 작아져 가속되지 않는 현상이다.^[9] 자속 성분에 기본파와 같은 방향의 제7고조파가 많이 포함되기 때문에 일어난다.^[9] 기동 전류에 가까운 전류가 흘러 지속되면 소손된다.^[9]

경감책으로 사선 슬롯(Skewed slot)이 사용된다.^[9]

9. 동기 전동기로의 활용

동기 전동기는 회전자 내부에 농형 권선을 매립할 수 있으며, 이는 전동기의 시동 토크를 증가시켜 동기 속도로 가속하는 시간을 줄이는 데 사용된다. 동기기의 농형 권선은 일반적으로 유사한 정격의 유도 전동기보다 작다. 회전자가 고정자의 회전 자기장과 동일한 속도로 회전할 때, 농형 권선에는 전류가 유도되지 않으며, 정상 상태에서 농형 권선은 동기 전동기의 작동에 더 이상 영향을 미치지 않는다.^[4]

일부 기계의 농형 권선은 부하 또는 시스템 교란에 대한 댐핑 효과를 제공하며, 이러한 역할에서 제동 권선으로 지정될 수 있다. 대형 기계는 극 간에 상호 연결되지 않고 개별 극면에만 제동 바를 가질 수 있다. 농형 권선은 지속적인 작동의 열을 발산할 만큼 크지 않으므로, 대형 동기기에는 기계가 전원 전압과 동기화되지 않을 때 이를 감지하는 보호 계전기가 있는 경우가 많다.^[4]

10. 유도 발전기

농형 3상 유도 전동기는 발전기로도 사용될 수 있다. 이를 위해서는 전동기가 무효 부하를 감당해야 하며, 계자 전류를 공급하기 위해 전력망에 연결되거나 축전기 배열을 갖추어야 한다. 전동기가 발전기로 작동하려면, 회전자가 고정자의 동기 속도보다 빠르게 회전해야 한다. 이렇게 되면 잔류 자기를 형성한 후 전동기가 전력을 생산하게 된다.^[1]

참조

_[1] 서적 The Induction Machine Handbook CRC Press 2010
_[2] 서적 theory and performance of electrical machines
_[3] 서적 Magnetoelectric devices John Wiley and Sons 1966
_[4] 서적 Pumping Station Design Revised 3rd Edition Elsevier 2008
_[5] 시험문제 電気主任技術者国家試験問題 第三種機械 平成16年度
_[6] 웹사이트 音声付き電気技術解説講座 > 電気機器 > 誘導電動機の各種始動法の特徴 https://www.jeea.or.[...]
_[7] 웹사이트 モータの減電圧始動 https://www.mitsubis[...]
_[8] 웹사이트 音声付き電気技術解説講座 > 電気応用 > 誘導電動機の可変速制御 https://www.jeea.or.[...]
_[9] 시험문제 電気主任技術者国家試験問題 第一種機械 平成22年度 問1
_[10] 서적 theory and performance of electrical machines