4.4 유도기의 종류와 운전
유도 전동기의 등가회로와 토크 특성곡선으로부터 회전자 저항의 변화가 발생하는 재미있는 현상에 대하여 살펴보았습니다. 회전자 저항을 변화시키는 방법은 어떻게 가능할까요? 또 유도기의 운전과 속도 제어가 쉬워졌다는데 이를 구체적으로 살펴보도록 하겠습니다.
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4.4.1 유도기의 구조 : 권선형, 이중 농형, 심구형
회전자 저항이 크면 기동시 토크값을 크게할 수 있다는 것을 확인하였습니다. 기동토크값이 일반적으로 클수록 좋습니다. 그러나 큰 회전자 저항은 운전상태에서 과도한 동손을 발생합니다. 이 값을 줄이기 위해서는 회전자가 작은 저항값을 가지면 좋겠습니다.
어떻게 이러한 조건을 모두 만족할 수 있을까요? 먼저 권선형 유도 전동기를 사용하는 방법을 들 수 있겠습니다. 회전자를 농형 구조물을 사용하지 않고 권선을 감는 것입니다. 이 권선의 저항을 바꾸어주기 위해서 슬립링을 통하여 외부에 가변 저항값을 연결하여 주는 것입니다. 동기기의 회전자 구조와 비슷하면서도 다른 점이 있습니다. 슬립링을 사용하는 것은 비슷하지만, 동기기에서는 이 슬립링을 통하여 직류 전원이 공급되었습니다. 권선형 유도기에서는 전원이 없고 단순히 수동 소자인 저항이 연결될 뿐입니다. 물론 회전자에 발생하는 순환전류는 이 저항을 통해 구성된 회전자 회로를 순환합니다.
이제 회전자 저항의 값을 조절할 수 있습니다. 기동시에는 외부의 가변 저항값을 크게하여 기동토크를 크게하여 기동하고, 운전을 하면서 저항값을 감소하여 운전시의 저항손실을 줄일 수 있습니다. 가장 확실하고 좋은 방법이지만 결점도 있습니다 회전자에 권선을 하여야하고 슬립링의 구조도 이용하므로 유도기의 내구성 및 간편성이라는 장점을 잃습니다.
농형 구조물에서도 여러가지 방법을 사용할 수 있습니다. 농형 구조물의 구조를 기동시에는 저항이 크게되도록, 운전시에는 저항이 작게되도록 만드는 방법이 있습니다. 심구형 혹은 이중 농형이라는 말로 표현되는 구조는 이러한 목적을 갖고 만들어졌습니다. 심구형 및 이중농형의 구조는 그림 4.5 와 같습니다.
일반적인 농형 회전자 구조물은 원환을 도체로 연결하는 다람쥐 쳇바퀴의 형태로 되어있습니다. 원환을 잇는 각각의 도체의 단면 모양을 심구형의 경우는 한쪽으로 길게 되어있는 형태를 이중 농형의 경우는 두 개의 도체가 한쌍으로 되어있는 형태를 갖고 있습니다. 이러한 구조는 자체적으로 리액턴스를 갖게 하는데 교류 전류가 흐르면 이 리액턴스는 높은 주파수의 전류에 대하여는 국부적으로 전류를 흐르게 하고 주파수가 낮아지면 전류를 균일하게 흐르게 합니다. 즉, 높은 주파수의 교류 전류에 대하여 도체는 높은 저항으로 되고, 낮은 주파수의 교류 전류에 대하여 도체는 낮은 저항이 됩니다. 기동시에는 높은 슬립, 즉 높은 주파수의 전류가 유기되므로 회전자 도체는 높은 저항을 갖고 큰 기동토크를 발생하고, 운전시에는 낮은 슬립, 즉 낮은 주파수의 전류가 유기되므로 회전자 도체는 낮은 저항을 갖고 좋은 효율로 낮은 동손을 발생하며 운전하게 됩니다.
4.4.2 유도 전동기의 종류
전동기를 구입하는 상황을 가정해 봅시다. 무슨 유도 전동기를 원하느냐의 질문에 어떻게 대답하여야 할까요? 구체적인 방법으로 원하는 사양을 제시해야 하는데 ‘좋은 유도 전동기 하나주세요’라는 표현은 통하지 않습니다. 제일 좋은 방법은 전동기의 토크 특성 곡선을 그려 가지고 이러한 특성의 전동기를 달라고 하는 방법이 있겠습니다만 조금 더 간편한 방법은 없을까요?
전동기 특성을 A, B, C, D의 네 가지 종류로 나누어서 원하는 사양을 쉽게 분류할 수 있도록 한 방법이 있습니다. 각각의 토크 특성 곡선은 그림 4.6 과 같이 주어집니다.
각각의 종류별 특성은 다음과 같습니다.
(1) B급 전동기
산업에서 쓰이는 범용 전동기이며 A급보다는 높은 회전자 저항을 갖고, 기동 전류가 더 낮습니다. 좋은 기동 특성을 가지며 선풍기나 환풍기와 같은 환기용 장치 등에 적합하며, 원심력 펌프나 선풍기와 같이 부하의 특성은 속도에 비례하는 속성이 있습니다. 그림 4.11에서와 같이 B급 전동기의 최대 토크까지 비례적으로 증가하는 속성은 부하의 증가와 비례하므로 일정한 가속 토크를 낼 수 있습니다. 이렇게 일정한 가속 토크로 전속도에 빨리 도달하는 장점이 있습니다.
(2) A급 전동기
B급의 전동기에 비해서 더 큰 기동 전류를 갖고 있으며, 그 외의 특성은 B급과 동일합니다. 일반적으로 고효율 전동기라고 하는 것들은 주로 A급 전동기를 일컫는 경우가 많습니다.
(3) C급 전동기
정상적인 기동 전류의 크기를 갖고 있으며 기동 토크 값이 큽니다. 컨베이어 벨트와 같은 부하를 감당하는 전동기를 설치하는 목적으로 사용할 때는 C급 전동기가 적당합니다. 컨베이어 벨트는 정지시의 부하를 움직이기 위하여 큰 기동 토크를 필요로 하므로, 정지시 및 낮은 속도에서는 관성을 이기기 위한 큰 기동 토크를 필요로 하며 움직이기 시작한 후에는 일정한 부하의 크기를 담당하는 특성이 있습니다. 이러한 특성이 요구되는 부하에 일반적인 B형 특성의 전동기를 사용하면 기동할 수 없게 됩니다. C형의 전동기는 높은 기동 토크를 가지며 속도가 증가하면서 토크가 감소하므로 이러한 부하를 잘 다룰 수 있습니다.
(4) D급 전동기
높은 기동 토크 값을 갖고 있으며 큰 슬립 값에서 작동합니다. 압연기나 엘리베이터 등과 같이 사용되며 플라이휠과 같은 기계적 장비와 같이 사용되는 경우가 많습니다. A, B급의 전동기는 낮은 회전자 저항값을 가지므로, 높은 효율로 운전합니다. C, D급의 전동기는 높은 회전자 저항값을 가지고 효율보다는 높은 기동 토크를 목적으로 사용하게 됩니다.
4.4.3 유도 전동기의 기동
유도 전동기를 기동하는 방법에 대해서 살펴보도록 합시다. 유도 전동기 기동시 높은 전류가 발생하는데 이를 억제하기 위한 여러 가지 보호 방법이 있습니다.
(1) 농형 유도 전동기의 기동법
- 전전압 기동법: 5kw이하의 소용량 농형 유도 전동기에 사용됩니다.
- Y - △ 기동법: 5~15kw정도의 전동기에 사용됩니다.
- 기동 보상 기법: 15kw이상의 전동기에 사용됩니다.
(2) 권선형 유도 전동기의 기동법
- 2차 저항기법
- 게르게스법
4.4.4 유도 전동기의 속도 제어
유도 전동기는 구조가 간단하고 내구성이 강하지만 속도 조절에 문제가 있었습니다. 등가회로의 유도 과정에서 알 수 있듯이 회전자 회로에 유기되는 순환 전류로부터 구하는 토크의 특성 곡선은 예측하기 어려운 비선형 특성을 갖고 있음을 알 수 있으며, 유도기는 오랫동안 속도 제어의 영역에서는 외면당해 왔습니다.
현대의 전력 전자 반도체의 발전은 이러한 문제를 해결하였습니다. 주어진 환경에서 토크 및 속도는 토크 특성 곡선에 의해서 결정되는데 동작점은 항상 전동기의 토크 특성 곡선과 부하의 토크 특성 곡선이 만나는 점에서 형성되었습니다. 일정한 부하값에 대해 속도의 값을 변화하기 위해서는 전동기의 토크 특성 곡선을 변화시키는 방법이 있으며, 토크 특성 곡선을 변화하기 위해서는 지금까지 우리가 알고 있는 방법은 회전자 저항값을 변화하는 방법이 있습니다. 그림 4.12는 일정한 부하시에 회전자 저항을 변화하여 속도를 변화하는 방법을 나타내고 있습니다.
회전자 저항값을 증가하면 속도값이 감소함을 알 수 있는데 몇 가지 문제점이 있습니다. 첫 번째는 회전자 저항을 변화하는 것은 권선형 유도기에서만 가능하다는 것이고 두 번째는 회전자 저항을 변화하면 필요 없이 동손의 값을 증가하여 유도 전동기의 효율을 저하시키는 문제점이 있습니다.
유도 전동기의 토크 특성 곡선은 다른 방법으로도 변형할 수 있는데 이것은 주파수 제어를 통하여 가능합니다. 주파수는 고정자에 입력되는 3상 교류 전원의 주파수를 뜻하며, 이 주파수를 조정하는 것은 전원을 조절한다는 것이고 전력 전자 회로를 사용하여 입력되는 교류 전원의 주파수를 조절하 수 있다는 것입니다. 주파수를 조절하여 얻는 특성은 프로그램을 통하여 확인할 수 있으며, 아래의 프로그램에서 주파수를 변화시켜 보시기 바랍니다.
주파수의 값이 감소함에 따라 토크 특성 곡선의 모양이 왼쪽으로 밀집되는 현상을 목격할 수 잇는데 부하가 일정한 경우 동작점은 부하와 전동기의 특성 곡선의 교점에서 생성됩니다. 주파수를 감소함에 따라 속도가 감소하는 현상을 확인할 수 있습니다.
회전자 저항의 변화에 의한 속도 제어법이 가장 원시적인 속도 제어법이라고 하면 주파수 제어에 의한 속도 제어 방법은 가장 현대적인 속도 제어의 방법이라고 할 수 있습니다. 그렇다면 저항 제어법과 주파수 제어법 외에 어떠한 속도 제어 방법이 있을까요?
다른 하나의 속도 제어법으로 전압 제어법이 있는데 유도 전동기의 토크 특성 곡선에서 토크값은 전압의 제곱에 비례하는 사실을 확인할 수 있으며, 전압값을 조정하여 토크 특성 곡선을 변화하고 동작 속도도 변화할 수 있습니다. 위의 프로그램에서 각각의 요소를 변화하면서 토크 특성 곡선의 변화를 보여 주고 이와 부하곡선이 만나는 동작점으로 속도가 조정되는 것을 확인할 수 있습니다.
속도 제어의 방법에서는 복합적으로 요소를 제어하는 것이 가능합니다. 예를 들면 전압과 주파수 제어를 복합적으로 제어함으로써 더 좋은 속도 제어 특성을 얻는 것이 가능합니다.
예제 4.2)
그림과 같은 유도기 속도 토크 특성에 대해서 인가 전압을 두 배로 한 경우와 주파수를 반으로 한 경우의 각각 토크 특성 곡선을 그리십시오.
풀이) 토크 특성 곡선은 인가 전압의 제곱에 비례합니다. 특성 곡선의 값은 제곱에 비례하는 값으로 그릴 수 있으며, 주파수를 반으로 하면 동기 속도가 반으로 줄게 되고 토크 특성 곡선의 모양은 속도축으로 반 축소된 모양으로 그릴 수 있습니다.
| (a)인가전압이 2배인 경우 | '(b)주파수가 1/2인 경우 |
