유도전동기 동작원리¶

학습 정보

과목 전기기기 · 유형 이해 · 난이도 기초 · 숙련도 미학습

산업 현장에서 쓰는 전동기의 대부분이 3상 유도전동기다. 구조가 단순하고 튼튼하며 값이 싸기 때문이다. 그 원리는 "돌아가는 자기장이 도체를 끌고 간다"는 한 문장으로 요약되는데, 이 문장을 단계로 쪼개어 보면 슬립·토크·기동법이 전부 여기서 따라 나온다.

동작 원리¶

고정자(스테이터)의 3상 권선에 3상 교류를 넣으면, 각 상의 전류가 120°씩 어긋나 흐르면서 합성 자기장이 일정한 속도로 회전한다. 물리적으로 도는 부품이 없는데 자기장만 도는 것이 핵심이다. 이 속도를 동기속도라 한다.

\[ N_s = \frac{120f}{P}\;[\mathrm{rpm}] \]

\(f\) 는 전원 주파수[Hz], \(P\) 는 극수다. 극수가 많을수록 느리다.

회전하는 자기장이 정지해 있는 회전자(로터) 도체를 가로지르면, 패러데이 법칙에 따라 도체에 기전력이 유도되고 전류가 흐른다. 회전자에 전원을 직접 연결하지 않아도 전류가 생기므로 "유도" 전동기다.

자기장 속에 전류가 흐르는 도체가 있으면 힘을 받는다(플레밍 왼손 법칙). 렌츠의 법칙에 따라 그 힘의 방향은 자기장과의 상대운동을 줄이는 쪽, 즉 자기장을 따라가는 방향이다. 그래서 회전자가 회전자계와 같은 방향으로 돈다.

이 부분이 유도전동기의 본질이다. 만약 회전자가 동기속도와 똑같이 돌면, 회전자에서 본 자기장은 정지해 있는 것이 된다. 그러면

결국 스스로 느려진다. 따라서 회전자는 반드시 동기속도보다 조금 느리게 돌아야 하고, 그 차이가 있어야만 토크가 생긴다. 이 속도 차이를 비율로 나타낸 것이 슬립이다. 유도전동기를 비동기 전동기라고도 부르는 이유가 여기 있다.

60 Hz 전원에 4극 유도전동기를 연결하면 회전자계의 속도는?

\[ N_s = \frac{120 \times 60}{4} = 1800\;\mathrm{rpm} \]

같은 60 Hz 에서 6극이면?

\[ N_s = \frac{120 \times 60}{6} = 1200\;\mathrm{rpm} \]

극수에 반비례한다. 느린 회전이 필요하면 극수를 늘린다.

4극 전동기를 50 Hz 지역에서 쓰면?

\[ N_s = \frac{120 \times 50}{4} = 1500\;\mathrm{rpm} \]

60 Hz 에서 1800 rpm 이던 것이 1500 rpm 으로 느려진다. 주파수에 비례하므로, 주파수를 바꿔 속도를 조절하는 것이 인버터(VVVF) 제어의 원리다.

(여기에 본인 언어로 이해한 내용을 정리)