6.2.2 단상 유도전동기 구조,특성,기동

구조와 특성

단상 유도 전동기의 구조는 3상 유도 전동기의 구조와 거의 같으며, 고정자 부분과 회전자 부분으로 되어있습니다. 고정자는 단상 권선으로 되어 있고, 회전자는 농형 회전자를 사용합니다.

단상 유도 전동기의 회전속도 $N[rpm]\,$ 은 3상 유도 전동기의 회전속도와 같으며, 1차 권선에 생기는 회전 자기장의 동기 속도는

$N_{s}={\frac {120f}{p}}[rpm]$ (6.1)

여기서

$N_{s}\,$ : 동기 속도[rpm]

$f\,$ : 전원 주파수

$p\,$ : 자극수

입니다.

동기 속도 $N_{s}\,$ 와 회전자 속도 $N\,$ 사이에는 속도 차가 항상 생기며, 이 속도의 차 $N_{s}-N\,$ 와 동기속도 $N_{s}\,$ 와의 비를 슬립 s[%] 이라 하며, 다음 식과 같이 됩니다.

$s={\frac {N_{s}-N}{N_{s}}}\times 100[\%]$ (6.2)

그림 6.7은 단상 유도 전동기의 토크, 출력, 1차 전류, 효율, 역률 등을 속도에 대하여 나타낸 곡선입니다. 일반적으로, 단상 유도 전동기는 전부하 전류에 대한 무부하 전류의 비율이 매우 크고, 역률, 효율 등의 성능은 같은 정격의 3상 유도 전동기에 비해 나쁘고, 중량도 무겁고, 제작비가 많이 들지만, 단상 교류 전원에서 간단히 사용할 수 있는 이점이 있어서 가정용, 공업용, 농업용 등에서 주로 0.75[kW] 이하의 소동력용으로 널리 사용되고 있습니다.

단상 유도 전동기의 기동

앞서 설명한 바와 같이 단상 유도기 자체로는 기동토크를 발생하지 않습니다. 기동토크를 얻기 위한 여러 가지 방법이 사용되고 있으며 종류별로 기동 방법을 살펴보도록 하겠습니다

분상(split-phase) 유도 전동기

분상 유도 전동기는 상을 분리하여 기동 특성을 얻어내는 방식의 단상 유도 전동기입니다. 가장 많이 사용되는 형태로서 냉장고, 세탁기, 송풍기, 선풍기, 원심펌프등 다양하고 광범위한 응용분야에서 사용되고 있습니다.

고정자 철심에는 두 개의 코일이 병렬로 연결되어 있는데 하나는 주권선 다른 하나는 보조권선이라고 합니다. 주권선과 보조권선은 공간적으로 90°의 위상차를 갖도록 권선되어 있습니다. 물론 회전자는 농형으로 되어 있습니다. 공간적으로 90°의 위상차를 갖고 있더라도 전기적인 위상차가 없이는 기동 토크를 얻을 수가 없습니다. 그림 6.8 은 이러한 내용을 설명합니다.

두 개의 권선에 흐르는 전류의 위상 차를 갖게하는 것이 중요합니다. 분상에서는 주 권선과 보조 권선간에 전류의 위상차를 갖게하기 위하여, 주권선은 굵은 선을 사용하고, 보조 권선은 가는 선을 사용하여 권선 저항을 크게 하고 리액턴스를 작게 하여 기동 순간에 두 권선의 전류 사이에 30°의 위상차를 만들어 낼 수 있습니다. 이렇게 권선들이 위상차를 갖게되면 회전 자기장을 얻을 수 있으며 이것은 그림 6.8 의 (b)에서 확인할 수 있습니다.

보조 권선에 원심력 스위치를 직렬로 연결하고, 주권선을 병렬로 접속하여 그림 6.9의 (a)와 같이 단상 교류 전압을 가해 주면, 그림 (b)와 같이 리액턴스가 큰 주권선 M에는 공급 전압 V보다 상당히 뒤진 위상의 전류$I_{a}\,$ 가 흐르고, 리액턴스는 작고 저항이 큰 보조 권선 A에는 공급 전원 V보다 위상이 조금 뒤진 전류$I_{m}\,$ 이 흐르게 됩니다.

주권선의 전류와 보조 권선의 전류는 θ만큼의 위상차가 생기고 이제 회전 자기장이 만들어져서 기동 토크가 발생하고, 전동기는 회전을 할 수 있게 됩니다. 전동기의 회전자 속도가 증가하여 동기 속도의 약 70∼80[%] 정도가 되면 원심력 스위치가 작동하여 보조 권선 A의 회로를 자동으로 개방하고, 주권선 M에 의해 전동기는 회전하게 됩니다. 분상 기동형 단상 유도 전동기의 회전 방향을 바꾸기 위해서는 어떻게 하면 될까요? 이 경우에는 주 권선과 보조 권선의 전류의 위상 순서를 바꿔주면 됩니다.

분상 기동형 유도 전동기의 정지시의 기동 전류는 일반적으로 정격 전류의 5∼7배로 크며, 기동 토크는 정격 토크의 1.5∼2배 정도로 비교적 작습니다. 분상 기동형 단상 유도 전동기는 과거에 많이 사용되어 오던 단상 유도 전동기었으나, 기동 토크가 작고, 원심력 스위치가 부착되어 있어 부피가 커지며, 큰 기동 전류가 흐르는 단점 때문에 요즈음은 대체로 200[W] 이하의 단상 유도 전동기에 제한되어 사용됩니다.

그림 6.9 분상 기동형 단상 유도 전동기의 원리

그림 6.9 쉐이딩코일형 전동기

커패시터 전동기

결국 단상 유도기의 기동 방식은 주 권선과 보조 권선의 전기적 위상차를 어떠한 방식으로 만들어 낼것인가의 차이입니다. 기동 코일에 흐르는 전류의 위상차를 만들어 낼 수 있는 간단한 방법은 콘덴서를 삽입하는 것입니다. 콘덴서를 삽입함으로서 전류의 위상을 앞서게 할 수 있습니다. 결과적으로 기동 권선에 흐르는 전류는 주 권선에 흐르는 전류에 비하여 90° 정도 앞서게 되고 두 개의 권선은 공간적, 시간적인 위상차이를 가지므로 회전자계를 만들어내게 됩니다.

기동 권선에는 원심력 스위치가 달려 있고 어느 정도 속도에 이르면 이 스위치의 작용으로 기동 권선이 개방됩니다. 운전시에는 기동시 사용되었던 보조 권선을 개방하고 주 권선만 운전하는데 기여하게됩니다. 커패시터가 기동하는 용도로만 사용되고 원심력 스위치에의해서 분리되므로 이러한 경우에는 커패시터 기동 전동기라고 합니다. 원심력 스위치를 사용하여 보조 권선을 사용하지 않고 계속하여 콘덴서가 연결되어 있는 보조 권선을 사용하게되는 것은 커패시터 운전 전동기라고 합니다. 원심력 스위치가 없기 때문에 구조가 간단해지고 역률이 좋기 때문에 큰 기동 토크를 요구하지 않고 속도를 조정할 필요가 있는 선풍기 나 세탁기 등에 널리 쓰이고 있습니다. 이 방식에는 기동 토크와 운전 토크의 양쪽을 모두 고려한 값으로 콘덴서의 값을 결정하므로 기동토크가 낮아질 수 있습니다.

커패시터 기동 커패시터 운전형은 기동시와 운전시에 콘덴서를 모두 사용하는 방식으로 이것은 기동시와 운전시 콘덴서가 연결되어 있는 두 개의 권선을 이용하는 방식입니다. 이 방식은 높은 기동토크와 운전토크를 얻을 수 있는 장점이 있습니다.

셰이딩-폴 전동기

쉐이딩 폴 전동기 (shading-pole motor) 은 돌극형의 구조를 갖고 있습니다. 이는 그림 6.10 에서와 같이 각각의 돌극의 일 부분에서 단락된 동선을 감아 놓고, 전체의 극에는 주 권선을 감아 놓았습니다. 주 권선에서 전류가 흐를 때 쉐이딩 코일에는 기전력이 유기되고 전류가 흐르게 됩니다. 이 때 발생된 자속은 주 권선 전류에 의해 자속의 위상을 늦추게 됩니다.

결과적으로 쉐이딩 코일이 없는 부분의 자속이 최대치에 도달한 후 쉐이딩 코일의 자속이 최대치에 도달하게 됩니다. 그리하여 자속은 쉐이딩 코일이 감겨 있지 않은 부분에서 감겨 있는 부분으로 이동하게 되며, 회전자계가 형성되어 기동토크를 발생하게 됩니다.

그림 6.10 쉐이딩 코일형 전동기

이상과 같이 2상과 상차이를 이용하여 기동하는 원리를 설명한 프로그램은 다음과 같습니다.

프로그램은 다음의 동영상과 같이 작성할 수 있습니다.