13. 권선형 유도전동기의 특징과 '기동법'이 필요 없는 이유

13. 권선형 유도전동기의 특징과 '기동법'이 필요 없는 이유

앞에서 유도전동기 '기동법'에 대해 알아봤다. 용량이 큰 유도전동기의 경우 기동시작시에 모터의 정격전압을 투입하게 되면 기동전류와 기동토크가 아주 커져서 전기적으로, 기계적으로 모터 및 배전상에 손상을 줄 수 있었다. 이때 '기동법'을 이용하면 전압을 단계적으로 나눠서 공급해줌으로써 전류와 토크의 크기를 조절해서 전동기의 안정적인 동작이 가능해졌다.
그러므로 '기동법'은 필수적인데 권선형 유도전동기에서는 '기동법'을 사용하지 않고도 전동기를 안정적으로 기동할 수 있다. 그 이유와 권선형 유도전동기의 특징에 대해 알아보자.

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◈ 권선형 유도전동기 특징과 '기동법'이 필요 없는 이유

권선형 유도전동기와 농형 유도전동기

위는 권선형 유도전동기와 농형 유도전동기를 대략적으로 나타낸 그림이다.
형태를 보면 권선형 유도전동기는 구리코일이 직접 회전자에 감겨있는 형태이고, 농형 유도전동기의 경우는 틀 자체를 회전자 코일로 사용함을 볼 수 있다.
권선형 유도전동기는 구리코일로 감겨있기 때문에 이 권선의 일부를 끊을 수 있고 끊어진 권선에 외부저항 연결이 가능하다.
농형 유도전동기는 틀자체가 회전자 코일이므로 끊어서 외부저항을 연결할 수 없다. 그러므로 저항의 변경이 불가능하다.



(1)
이런 형태 때문에 권선형 유도전동기가 농형유도전동기에 비해 저항이 크고, 저항의 변화 또한 가능하다는 특징을 가지고 있다.



(2)
권선형 유도전동기에서 회전자 코일 권선을 끊어서 외부저항(가변저항)을 연결하기 위해서는 '슬립링'과 '브러시'가 필요하다. 회전자 코일은 회전하는 부분이기 때문에 이 두 부품은 필수적이다. 슬립링과 브러시로 인해 회전하는 와중에도 저항을 변화시킬 수 있지만 계속 회전하면서 마찰이 일어나기 때문에 닳게 되고 이로 인해 유지보수 비용이 증가하게 된다.



(3)
권선형 유도전동기는 외부 저항을 변화시킬 수 있으므로 '기동법'이 필요하지 않다.
외부저항의 변화를 주면 어떤 변화가 있기에 '기동법' 없이 모터에 무리를 주지 않고 기동가능한가?
-> 기동시작시 외부저항을 높여주면 '기동전류'가 줄어들어 모터에 무리가 가지 않는다.



(4)
권선형 유도전동기의 외부 저항을 변화시키면 '기동토크'을 키울 수 있어 높은 기동토크가 요구되는 부하에서 사용하기에 좋다.
권선형 유도전동기는 농형 유도전동기보다 회전자측 권선의 저항이 크다. (이런 저항 크기의 차이 때문에 농형유도전동기의 기동토크는 정격토크의 100~200%정도이고, 권선형유도전동기의 기동토크는 정격토크의 200~250%이다.)
그리고 외부저항까지 연결이 가능해 농형 유도전동기보다 가동시 유리하다.
가동시작시에 외부저항값을 높여서 '기동토크'를 키우고 운전점에 가까워지면서 외부저항값을 줄여 토크를 줄이면 안정적인 모터 가동이 가능하다.

유도전동기 토크 곡선과 토크 최대값에서의 슬립

왼쪽 그래프는 유도전동기 가동시 토크곡선이고, 오른쪽 공식은 토크가 최대일 경우의 슬립값이다.
공식을 보면 알겠지만 2차측 회전자 권선의 저항(R2)가 증가할수록 토크 최대값을 나타내는 슬립(s')이 증가함을 알 수 있다.
슬립이 증가함에 따라(s3 -> s2 -> s1) 최대치 토크가 이동하게 되면서 토크곡선이 전체적으로 왼쪽으로 이동함을 볼 수 있다. 토크곡선이 왼쪽으로 이동함에 따라 기동시작시점(s=1)에서 기동토크가 증가함을 확인할 수 있다.

이렇게 권선형 유도전동기에서 외부에 연결된 저항값을 올려주면 기동토크를 늘릴 수 있음을 확인할 수 있다.




(5)
관성이 큰 부하의 경우 권선형 유도전동기로 가동하기에 좋다. 농형유도전동기에서는 관성이 큰 부하를 가동하기에는 부담이 있다. 농형 유도전동기에서 그냥 가동하기에는 부담스럽고 감전압 '기동법'을 사용하자니 '기동토크'가 너무 작아지게 돼서 가동이 힘들다.
권선형 유도전동기에서는 외부저항을 사용할 수 있기 때문에 기동하는 순간 최대토크로 사용하고 점차적으로 저항을 줄여가면서 토크곡선을 옮겨가면서 부드럽게 가동할 수 있다.
다만, 관성이 크면 기동을 완료하는데까지 걸리는 시간이 길어진다. 그러면 기동전류에 의한 열로 손상이 올 수 있기 때문에 시간에 따른 열용량을 고려하여 외부저항값을 조절해줘야 한다.




(6)
2차저항을 늘릴수록 '기동토크'가 증가하고 '기동전류'가 감소하나 운전점이 동기속도에서 멀어지기 때문에 역률과 효율이 나빠지게 된다.

유도전동기 2차저항 증가시 운전점이 동기속도에서 멀어짐