유도전동기

3. 작동 원리

3. 1. 동기 속도

• 극수: 고정자의 자극 수. (예: N, S가 2쌍 있으면 4극)
• 주파수: 고정자 권선의 교류 주파수.
• 동기 속도: 회전 자계의 속도.

3. 2. 슬립

4. 구조

• '''고정자(Stator)''': 전동기 몸체에 고정되어 회전 자기장을 생성한다.
• '''회전자(Rotor)''': 고정자 내부에 위치하며, 회전 자기장에 의해 유도 전류가 발생하여 회전력을 얻는다.

4. 1. 고정자

4. 2. 회전자

5. 종류

유도 전동기는 전원 공급 방식에 따라 단상 유도 전동기와 삼상 유도 전동기로 분류된다.

유도 전동기의 고정자는 회전자를 관통하는 자기장을 유도하기 위해 공급 전류를 전달하는 극으로 구성된다. 자기장의 분포를 최적화하기 위해 권선은 고정자 주위의 슬롯에 분포되어 있으며, 자기장은 동일한 수의 북극과 남극을 갖는다. 유도 전동기는 가장 일반적으로 단상 또는 3상 전원으로 구동되지만 2상 전동기도 존재한다. 이론적으로 유도 전동기는 어떤 수의 상이라도 가질 수 있다.^[43]

업계 전반에 걸쳐 표준화된 NEMA 및 IEC 전동기 프레임 크기는 샤프트, 발 장착, 일반적인 측면뿐만 아니라 특정 전동기 플랜지 측면에 대한 호환 가능한 치수를 제공한다. 개방형 방적(ODP) 전동기 설계는 외부에서 내부 고정자 권선으로 자유로운 공기 교환을 허용하므로 이 스타일의 전동기는 권선이 더 시원하기 때문에 약간 더 효율적인 경향이 있다. 주어진 정격 전력에서 낮은 속도는 더 큰 프레임을 필요로 한다.^[43]

3상 전동기는 위상 연결 중 두 개를 서로 바꿔 연결하여 회전 방향을 바꿀 수 있다. 회전 방향을 정기적으로 변경해야 하는 전동기(예: 호이스트)는 필요에 따라 회전을 반전시키기 위해 제어기에 추가적인 전환 접점을 갖추고 있다. 가변 주파수 드라이브는 전동기에 인가되는 전압의 위상 순서를 전자적으로 변경하여 거의 항상 회전 반전을 허용한다.

유도 전동기의 역률은 부하에 따라 변동하며, 일반적으로 전부하에서 약 0.85 또는 0.90에서 무부하 시 약 0.20까지 낮아진다.^[49] 이는 고정자 및 회전자 누설 리액턴스와 여자 리액턴스 때문이다.^[44] 역률은 개별 모터에 또는 여러 모터를 커버하는 공통 버스에 커패시터를 연결하여 개선할 수 있다. 경제적 및 기타 고려 사항으로 인해 전력 시스템은 거의 역률 1로 보정되지 않는다.^[50]

고조파 전류가 있는 전력 커패시터 적용에는 커패시터와 변압기 및 회로 리액턴스 간의 고조파 공진을 피하기 위한 전력 시스템 분석이 필요하다.^[45] 공진 위험을 최소화하고 전력 시스템 분석을 단순화하기 위해 공통 버스 역률 보정을 권장한다.

5. 1. 단상 유도 전동기

• 종류
• * 분상 기동형 전동기
• * 축전기(콘덴서) 기동형 전동기
• ** 상시 콘덴서를 접속한 채로 사용하는 전동기를 특히 콘덴서 모터라고 한다.
• * 음영극형 유도 전동기
• * 반발 기동형 전동기

5. 2. 삼상 유도 전동기

• 삼상 유도 전동기
• * 농형 삼상 유도 전동기
• * 권선형 삼상 유도 전동기

6. 속도 제어

유도 전동기의 속도는 주파수, 극수, 전압 등을 변경하여 제어할 수 있다.

일정 전압 및 일정 주파수로 운전되는 3상 유도 전동기의 특성은 슬립 $s$에 의해서만 결정된다. 따라서 토크 및 회전수를 변화시키기 위해서는 전원 주파수, 극수, 전원 전압, 전동기 임피던스 파라미터를 변경해야 한다.

전동기 기동 시에는 회전 속도가 0이므로 슬립은 거의 1이다. 유도 전동기는 최대 토크를 극대화하도록 설계되어 회전자 전기 저항은 매우 낮고 누설 리액턴스는 작다. 이는 기동 시 역률이 낮고 큰 돌입 전류가 흐른다는 것을 의미한다. 소형 전동기는 기동 시간도 짧고 돌입 전류가 전원에 미치는 영향도 제한적이므로 직입 기동법을 사용하지만, 중용량 이상은 기동 토크를 희생하면서 입력 전압을 낮추어 기동해야 한다. 기동 시에는 축 부하 경감도 동시에 필요하며, 이중 농형 회전자나 심구 농형 회전자 등을 사용하여 회전자 내부의 누설 리액턴스를 크게 하고, 기동 시 회전자 전류를 표면에 모아 돌입 전류를 억제하는 특수 농형 유도 전동기를 사용하기도 한다.

가변 전압 가변 주파수 제어에서는 공급 전압과 주파수를 모두 낮추어 기동한다.

6. 1. 주파수 제어

6. 2. 극수 변환 제어

6. 3. 전압 제어

6. 4. 2차 저항 제어 (권선형 유도 전동기)

7. 응용 분야

유도 전동기는 다양한 산업 분야 및 가정용 기기에 널리 사용된다. 산업 현장에서는 펌프, 팬, 컨베이어, 압축기, 공작 기계 등의 동력원으로 활용되며, 가정에서는 세탁기, 냉장고, 에어컨, 선풍기 등 가전제품의 구동원으로 사용된다. 또한, 전기 자동차, 철도 차량 등 교통 시스템의 추진 장치로도 활용된다.

7. 1. 대한민국에서의 활용 사례

• '''제철 산업''': 포스코, 현대제철과 같은 주요 제철소에서는 철강 생산 공정의 핵심 동력원으로 유도 전동기를 활용한다.
• '''전자 제품 제조''': 삼성전자, LG전자 등 전자 제품 제조 공장에서는 생산 라인을 구동하는 데 유도 전동기가 사용된다.
• '''발전 산업''': 한국수력원자력, 한국전력공사를 포함한 발전소에서는 냉각수 펌프, 송풍기 등 보조 기기를 구동하기 위해 유도 전동기를 활용한다.
• '''도시 철도''': 서울교통공사, 부산교통공사 등 도시 철도 시스템에서는 전동차 추진 장치로 유도 전동기가 사용된다.
• '''자동차 산업''': 현대자동차, 기아 등 자동차 제조사에서는 전기 자동차 구동 모터로 유도 전동기를 사용하고 있다.

8. 효율 및 에너지 절약

유도 전동기의 효율은 기계적 출력 전력과 전기 입력 전력의 비율로 정의되며, 그리스 문자 에타(Eta) ($\backslash eta$)로 표시된다.^[48] 효율은 다음 공식을 사용하여 계산한다.^[48]

:$\backslash eta=\backslash frac\{\backslash text\{출력\; 기계\; 전력\}\}\{\backslash text\{입력\; 전기\; 전력\}\}$

전 부하 시 모터 효율은 85~97%이며, 다음과 같은 손실이 발생한다.^[46]

• 마찰 및 풍손: 5~15%
• 철손 또는 코어 손실: 15~25%
• 고정자 손실: 25~40%
• 회전자 손실: 15~25%
• 부유 부하 손실: 10~20%

9. 장점 및 단점

유도전동기는 구조가 간단하고 튼튼하며, 가격이 저렴하고 유지보수가 용이하다는 장점이 있다. 또한, 속도 제어가 비교적 쉽고, 다양한 부하 조건에서도 안정적으로 운전할 수 있다.

반면, 유도전동기는 기동 시 큰 전류가 필요하고, 역률이 낮으며, 속도 제어 범위가 제한적이라는 단점이 있다. 또한, 효율이 비교적 낮고, 슬립으로 인한 손실이 발생한다.

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