Tech Story ▶ ▶ ▶  * 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 유철로

최근 고성능 반도체소자를 활용한 인버터의 출현으로 신뢰도 높은 유도전동기가 동력원으로 빠르게 보급되고 있다.

이에 본지에서는 유도전동기의 회전자계 이론을 실증하기 위해 유도전동기를 구동하는 회전자계 이론을 코일의 권선과 배선작업 측면에서 설명하는 실험방법을 소개하였다.  <편집자 주>

1. 서론

1차 권선에서 2차 권선에 유도된 전류와 회전자계와의 상호작용으로 회전자가 회전자계보다 늦은 속도로 회전하는 전동기를 유도전동기라 한다.

최근 들어 고성능 반도체소자를 활용한 인버터의 출현으로 신뢰도가 높은 유도전동기(IM: Induction Motor)가 동력원으로 급속히 보급되고 있다. 본고에서는 유도전동기를 구동하는 회전자계 이론을 코일의 권선과 배선작업 측면에서 이해하기 쉽도록 설명하는 실험방법을 소개하였다.

가. 실험의 목적

실험의 목적(배선훈련)은 유도전동기 구갑형(龜甲形)코일의 제작법 및 각상 코일군의 결선법을 습득하고 고정자 각각의 슬롯(溝)에 코일의 수납방법을 습득하기 위한 것이며, 이외에도 완성된 고정자 권선에 3상 교류전류를 통하여 회전자계를 생성하고, 이 자계에 의하여 회전하는 간이 회전자를 관찰하여 회전자계 이론을 실증하기 위함이다.

2. 3상 유도전동기(無鐵心形) 제작 및 운전

가. 유도전동기 운전현황

전기에너지에서 기계에너지로 변환하는 수단으로써의 전동기는 기존의 직류전동기에서 교류기의 일종인 유도전동기로 급속하게 대체되고 있다. 그 이유는 유도전동기(특히 농형유도전동기)는 회전기 중에서도 구조가 간단하여 보수가 용이하고, 내환경성이 우수하며 가격이 저렴하다는 이점이 있기 때문이다. 또한, 인버터로 전압과 주파수를 바꾸어 전동기를 용이하게 가변속할 수 있기 때문에 현재 농형유도 전동기는 가정용 에어컨을 비롯하여 산업기기, 수송기관에 이르기까지 광범위하게 이용되고 있다.

나. 유도전동기 회전원리

유도전동기는 3상 권선에 3상 교류전류가 가해져서 발생하는 회전자계를 이용하는 것으로 회전자계를 얻기 위해서는 고정자철심의 내칙에 슬롯을 만들어 3개 코일을 상호 120˚각도로 간격을 두어 수납한다. 이 때 3상 교류전류를 통하면 일정속도로 회전하는 일정 크기의 자계 즉, 회전자계가 발생한다.

3상 교류 A상, B상 및 C상 각각의 순간을 t1, t2, t3,및 t4(＝t1)라하고, 각 순간 회전각이 120˚위상차가 발생하는 경우에 회전자계 발생은 다음과 같다.

·순시t1 : 코일 A상에 정(正)의 최대치인 전류 Im이 흐를 때 코일 B상 및 C상에는 음극전류 -0.5Im이 흐른다. 이때 3개의 코일로 형성된 합성자속은 A상으로 향하는 회전자계가 발생된다.

·순시t2 : 순시t1에서 회전각 120˚에 상당하는 시각 t2에서는 코일 B상에 Im이 흐르고, 코일 A상과 C상에는 각각 -0.5Im이 흐른다.

따라서 합성자속은 B상의 방향으로 되어, A상에 비하여 120˚만큼 시계방향으로 회전한다.

·순시t3, t4에서는 t1, t2인 때와 같이 각 순간의 합성자속은 C상으로, 다시 A상으로 향하여 마치 1회전하는 것과 같이 된다.

위와 같이 3상 교류가 1회전하는 사이에 합성자속도 1회전하며, 합성자속의 크기는 A, B, C상이 모두 같다.(다만 방향이 120˚씩 다르다.)

즉, 합성자속의 크기는 시간에 대하여 불변한다. 각 시각에서 자계의 방향을 표시하는 N, S는 1조이므로 이것을 2극 회전자계라 한다.

다. 유도전동기 극수 p, 주파수 f 및 회전속도 NS와의 관계

유도전동기에 3상 교류전류가 흐르면 합성자속은 전술한 바와 같이 2극인 회전자계로 된다. 2극 회전자인 경우에 t1에서 t2까지의 시간동안 자계는 공간을 120˚(2π/3)만큼 회전한다. t1에서 t4까지의 1사이클에서는 자계도 1회전한다. 주파수가 f㎐인 교류에 의하여 발생하는 회전자계의 회전속도는 1초당 f회전한다.

4극 회전자인 경우는 주파수가 1㎐에서는 자계는 1/2 회전하고, f㎐에서는 회전자계의 회전속도는 주파수가 1㎐마다 2/p 회전한다. 따라서 전원의 주파수가 f㎐에서는 매초 회전속도 ns는 ns＝2f/p[rps]로 표시되며, 매분 회전속도 NS는, NS＝2×60f/p＝120f/p[rpm]로 된다. 이 NS를 동기속도(同期速度)라 한다.

라. 슬립의 정의

슬립(s)이란 유도전동기 회전속도 N의 동기속도 NS에 대하여 지연되는 비율을 의미하며 s＝NS-N/NS(%)인 관계로 표시된다. 따라서 전동기 회전속도 N은, N＝(1-s)NS로 표시한다.

슬립 s는 유도전동기가 운전 상태인 때는 0＜s＜1의 범위에 있다. 즉, s＝1 인 경우, 전동기는 정지 상태이며, s＝0인 경우, 전동기는 동기속도로 회전하는 것을 의미하나 이와 같은 상태는 존재하지 않는다.

유도전동기는 항상 동기속도 NS보다 약간 늦은 속도 N로 회전하고, 부하의 증감에 따라 슬립이 변화하며, 일반적으로 전 부하(정격용량)에서 슬립 s는 3∼6% 정도이다.

3. 간이형 유도전동기 제작기법

가. 유도전동기 제작조건

코일군 결선은 4극, 집중권, 2층권, 전절권으로 하며 고정자 슬롯 수와 전 코일의 수는 다음과 같이 한다.

·고정자권선(1차권선)은 매극 매상의 슬롯 수 q를 1(집중권)이라 하면 전 슬롯 수 S는, S＝mpq＝3×4×1＝12(m: 상수, p: 극수)

·자극의 간격(피치)은 전절권이므로 S/p＝12/4＝3

·각상은 4개의 코일이 필요하므로, 전체의 코일 수는 3×4＝12개를 준비한다.

고정자철심(무철심)과 슬롯을 만들기 위해서는 두터운 종이를 적층(풀로 접착)하여 철심을 만들어, 고정자 틀에 고정하고 슬롯을 만든 후에 전 코일을 수납한다.

고정자코일은 연동선의 표면에 절연도료를 도포한 것으로, 소전력전동기의 권선에 사용되고 있다. 코일은 코일형 틀로 구갑형으로 만들고, 4개의 코일을 1조로하여, 이것을 3조(A, B, C상 코일)로 만든다.

4. 배선작업의 노하우

가. 코일 슬롯 내의 수납작업

12개의 코일을 제 1코일부터 제 12코일까지 순차로 슬롯 내에 수납한다. 전 코일변이 1슬롯 내에 상하로 2개씩 수납되면 슬롯에 쐐기를 끼워 고정한다.

각상 코일의 3상 결선은 A, B, C상을 3상 단자로 하여 A´, B´, C´를 접속하면 Y결선으로 되고, A와 C´, B와 A´, C와 B´을 접속하여 각 접속점에서 3본의 전선을 인출하면 △결선으로 된다.

5. 사용 계기 및 측정기 선정

실험용접속도에서 고정자코일에 사용하는 권선재료 허용전류는 수 100㎃ 정도이므로 이 정도의 전류에서는 자로(磁路)의 누설자속(漏泄磁束)이 많아 유효 토크가 얻어질 수 없는 것으로 예상된다.

이 실험에서는 극히 단시간 운전하여 3A 정도로 보고, 전류계를 선정한다. 이 자작전동기는 누설리액턴스가 극히 큰 것으로, 인가되는 입력전압도 생각보다 클 것으로 본다. 그러므로 전압계의 측정범위는 20V로 선정한다.

선정된 사용기구류를 정리하여 〈표 1〉에 표시하였다.

<표 1> 사용기구류

가. 배선작업

실험에서 배선작업은 접속도에 따라 배선을 한다. 먼저 유도전압조정기(IR: Induction Regulator) 출력 측에서 전류회로→전압회로의 순으로 배선을 시작한다. 이것이 종료되면, IR의 입력 측에서 배선을 한다.

6. 전문가 제언

전기공학을 이수하는데 필요한 기본적인 실험은 대학의 전기공학과를 비롯하여 공전, 공고 전기·전자과에 이르기까지 그 내용이나 실험방법에는 큰 차이가 없다. 일반적으로 실험은 관련과목을 이수 후 또는 이것과 병행하여 시행하는 것을 전제로 한다. 그러나 실제로 기기실험을 하기 위해서는 기기 이론을 먼저 이해하는 것이 바람직하다고 본다.

유도전동기 실험은 부하시험, 무 부하시험과 같은 전동기 특성시험을 비롯하여 온도특성시험, 원선도 작성을 위한 시험 등 그 종류는 많다.

그러나 이들 시험은 모두 측정계기를 배열, 결선하여 실험결과를 얻고 있다. 그러므로 단 한 대의 실험 장치에 배선·결선을 하지 않고, 전동기만을 연결하여 실험할 수 있는 특성시험장치의 개발이 필요하다.

우리나라의 기술교육은 기초적인 실험교육을 경시하는 경향이 있으며, 또한 우리의 기술수준은 국제수준과 대비하여 평균 25% 전후에 불과하다. 이것은 기초교육의 부실에서 비롯된 결과라고 생각된다. 여기에 배선테크닉, 배선노하우라는 용어는 좋은 표현이다. 기술이나 노하우는 바로 얻어지는 것이 아니고, 오랜 경험을 축적하여 얻어지는 기술이기 때문이다. 기초 없는 첨단기술은 있을 수 없다. 오늘날 이러한 배선 노하우들이 축적되어, IC와 같은 첨단제품이 개발된 것임으로 기기 실험을 단순한 실험으로만 보아서는 안 된다.

일본의 대기업들은 회사에 따라 차이는 있으나 신입사원 교육을 전공분야가 아닌 타 전공분야의 기초교육을 최소 6개월에서 1년 또는 그 이상을 실시하고 있는데 비하여 우리는 기초교육을 경시하면서 첨단기술 교육만을 추구하는 실정이다. 향후에는 대학에서 기초교육을 충실히 이수하고, 기업에서 첨단 분야에 대한 충분한 교육이 필요하다고 본다.