유도전동기✦

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1.유도전동기의 원리와 구조

유도전동기란

전동기의 회전원리

(1)유도전동기의 원리

한권선에서 전자유도작용에 의하여 다른 한 권선내에 에너지가 전달되어 회전하는 전동기이다.

회전원리

3상교류인가->회전자계발생->자체기동

(2)유도전동기의 구조

농형 회전자
- 단락환과 봉도체 : 내부 권선(인출 불가능)
- 사구(조금씩 비뚤어진 홈) : 소음 방지
- 기동전류(대), 기동토크(소)
- 속도 조정 곤란

권선형 회전자
- 권선의 외부 인출이 가능
- 기동전류(소), 기동토크(대)
- 속도 조정 쉽다

공극

간격	특징
넓다	기계적 : 안전 전기적 : 자기저항 증가-> 여자전류 증가->역률 감소
좁다	기계적 : 진동, 소음 발생 전기적 : 누설리액턴스 증가-> 순간 최대출력 감소->철손 증가

2.유도전동기의 이론

(1)슬립

\[s=\frac{N_s-N}{N_s}\] \[N_s : 동기속도,\ N : 회전자속도\]

발전기	동기속도 (Ns=N)	전동기	정지 (N=0)	제동기
s<0	s=0	0<s<1	s=1	1<s

동기속도

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

회전자 속도

\[N=(1-s)N_s[rpm]\]

(2)유도전동기 등가회로

정지	회전 시(s 운전)
2차유도기전력 \[E_2=4.44k_{w2}N_2f\phi[V]\] 2차주파수 \[f_2=f_1\] 2차리액턴스 \[x_2\] 2차전류 \[I_2=\frac{E_2}{\sqrt{r_2^2+x_2^2}}[A]\]	2차유기기전력 \[E_2=sE_2\] 2차주파수 \[f_{2s}=sf_1\] 2차리액턴스 \[sx_2\] 2차전류 \[I_2=\frac{sE_2}{\sqrt{r_2^2+(sx_2(^2}}[A]\]

\[2차역률\cos\theta_2=\frac{r_2}{\sqrt{r_2^2+(sx_2)^2}}\]

3.전력 변환

2차입력, 동기와트(P2)	2차동손(Pc2)
\[P_2=P_0+P_{c2}\]	\[P_{c2}=sP_2[W]\]
2차출력(P0)	2차효율(2)
\[P_0=(1-s)P_2[W]\]	\[n_2=\frac{P_0}{P_2}=\frac{N}{N_s}=1-s\]

4.회전력

\[T=9.55\frac{P_0}{N}=9.55\frac{P_2}{N_s}[N\cdot m]\]

\[T=k_0\frac{r_2sE_2^2}{r_2^2+(sx_2)^2}[n\cdot m]\]\[토크∝V^2∝\frac{1}{s}\]

(3)동기와트

유도전동기의 2차 입력으로서 토크를 표시한 것이다

\[T=\frac{60}{2\pi N_s}P_2[N\cdot m]\]

(4)최대토크

최대토크조건

\[r_2^2+(sx_2)^2=1\]

최대토크시 슬립

\[s_m\fallingdotseq\frac{r_2}{x_2}\]

최대토크

\[T=K\frac{E_2^2}{2r_2}[N\cdot m]\]

단상 : 최대 토크 변화
3상 : 최대토크불변-권선형 유도전동기

(5)외부저항

기동토크=최대토크

\[R=(x_1+x_2)-r_2[\Omega]\]

기동토크=정격토크

\[R=\frac{1-s}{s}r_2\]

(6)주파수에 의한 특성 변화

주파수에 비례

\[N_s,N,\cos\theta, X_l,P_h\]

주파수에 반비례

\[\frac{1}{T},\frac{1}{\phi},\frac{1}{I_0},\frac{1}{온도},\frac{1}{P_h}(전압일정)\]

5.비례추이

(1)2차 회로 저항의 크기를 조정하여 제어할 수 있는 요소

\[\frac{r_2}{s}=\frac{r_2+R’}{S_t’}=\frac{r_2+R”}{s_t”}\]

(2)외부 2차 저항 증가-슬립증가-속도(회전수)감소-기동전류 감소,기동토크 증가

(3)권선형 유도전동기의 기동법 및 속도제어에 사용

(4)2차 저항을 변화해도 최대 토크는 변하지 않음

(5)비례추이 적용

가능
토크, 1차전류, 1차입력, 역률

불가능
출력, 효율, 2차동손, 동기속도

6.원선도

(1)원선도 작성에 필요한 시험

저항 측정, 무부하시험, 구속시험

(2)원선도에서 알 수 있는 값

가능
1차입력, 2차임력(동기와트), 철손, 1차저항손, 2차저항손, 출력

불가능
기계적 출력, 기계손

(3)원선도 해석

출력	\[P_0=\bar{PL}\]	철손	\[P_i=\bar{NR}\]
1차입력	\[P_1=\bar{PR}\]	1차효율	\[\eta_1=\frac{P_0}{P_1}=\frac{\bar{PL}}{\bar{PR}}\]
2차입력	\[P_2=\bar{PM}\]	2차효율	\[\eta_1=\frac{P_0}{P_2}=\frac{\bar{PL}}{\bar{PM}}\]
1차동손	\[P_{c1}=\bar{MN}\]	역률	\[\frac{\bar{OP’}}{\bar{OP}}\times 100\]
2차동손	\[P_{c2}=\bar{LM}\]	슬립	\[s=\frac{P_{c2}}{P_2}=\frac{\bar{LM}}{\bar{PM}}\]

7.유도전동기의 기동법

전전압(직입기동)

직접 정격전압인가
기동전류=(4~6배)*정격전류
5[kW]이하

Y-Δ기동

기동시Y접속 : 기동전류 감소
정격속도 : Δ로 변경
기동전류기동토크 : 1/3배
전압 1/룻3배
5~15[kW]이하

기동보상기

단권변압기를 설치 전동기에 인가 전압 감소시켜 기동
15[kW]이상

리액터 기동

전동기 1차측에 리액터를 설치 후 조정하여 전동기인가 전압 제어

2차저항 기동법(권선형)

비례추이 이용
2차 회로 저항값 증가-토크 증가-기동 전류 억제-속도감소-운전 특성 불량

8.농형 유도전동기의 속도

\[N=(1-s)N_s=\frac{120f}{P}(1-s)[rpm]\]

(1)주파수제어법

3상 인버터를 이용하여 주파수를 변환(VVVF)시켜 속도 제어한다
선반 추진용 모터, 인견용 포트 모터(방직공장)

(2)전원전압제어법

유도전동기의 토크가 전압의2승에 비례하여 변환하는 성질을 이용하여 부하 운전 시 슬립을 변화시켜 속도를 제어한다

(3)극수변환법

고정자 권선의 접속을 변경하여 극수를 바꾸어 속도를 변경한다

9.제어권선형 유도전동기의 속도제어

(1)2차 저항법

비례추이 이용 : 2차 회로에 저항을 넣어서 같이 토크에 대한 슬립 s를 바꾸어 속도를 제어

(2)2차 여자법

유도전동기 회전자에 슬립주파수 전압(주파수)을 공급하여 속도를 제어

\[I_2=\frac{sE_2\pm E_c}{r^2}\]

(3)종속접속법

직렬

\[N=\frac{120}{P_1+P_2}f\]

차동

\[N=\frac{120}{P_1-P_2}f\]

병렬

\[N=2\times \frac{120}{P_1+P_2}f\]

10.유도전동기의 제동 및 이상현상

(1)발전제동

전동기를 전원으로 부터 분리한 후 직류전원을 연결하면 교류기전력이 발생한 후 저항에서 열로 소비하여 제동한다

(2)회생제동

전동기를 전원으로 부터 분리한 후 1차측에 직류전원을 공급하여 발전기로 동작시킨 후 발생된 전력을 전원쪽으로 보내어 제동한다

(3)역상제동(플러깅)

운전 중인 유도전동기의 회전 반대 방향으로 토크를 발생하여 급속하게 제동한다.

11.단상 유도전동기

(1)단상 유도전동기의 특징

단상교류 인가하면 교번자계 발생한다
기동 시(s=1) 토크가 0으로 기동 장치 필요하다
역률과 효율이 매우 나쁘고 중량이 무거워 1마력 이하 가정용이나 소동력용으로 사용한다

(2)기동토크의 크기

반발 기동형>반발 유도형>콘덴서 기동형>분상 기동형>세이딩 코일형

12.유도전압조정기

(1)단상 유도전압조정기

교번자계 이용
입력과 출력 위상차 없음
단락 권선 필요

2차전압

\[V_2=V_1\pm E_2\cos\theta\]

조정범위

\[V_1-E_2 ~ V_1+E_2\]

(2)3상 유도 전압조정기

회전자계 이용
입력과 출력 위상차 있음
단락 권선이 필요 없음

2차전압

\[V_2=\sqrt{3}(V_1\pm E_1)\]

조정범위

\[\sqrt3(V_1-E_2 )~ \sqrt3(V_1+E_2)\]

(3)단락 권선의 역할

누설리액턴스에 의한 2차 전압 강하 방지

(4)3상 유도전압조정기 위상차 해결

대각 유도전압조정기

13.특수 전동기

(1)단상 정류자전동기

기전력

\[E=\frac{Pz}{60a}\phi N=\frac{Pz}{60a}\frac{\phi_m}{\sqrt2}N[V]\]

단상 반발전동기

특징 : 브러시를 단락시킨 후 브러시의 이동으로 기동토크와 속도를 제어한다
종류 : 아트킨손형, 톰슨형, 데리형

단상 직권 정류자전동기

교,직류 : 양용으로 만등전동기라 한다
역률 개선 : 약계자 강전기자형 사용, 보상권선 사용, 회전속도 증가
종류 : 직권형, 보상직권형, 유도보상직권형
용도 : 75[w]정도 치과의료용기구, 믹스, 소형기구,영사기등
단상 분권정류자 전동기 : 현재 실용화되지 않고 있다.

(2)3상 정류자전동기

3상 직권 정류자전동기

중간 변압기의 사용 목적 : 경부하 시 속도상승 억제, 실효 권수비 조정으로 전동기의 특성 조정, 정류자전압을 조정
동기속도나 근처나 이상에서 역률은 100[%]정도이다
동기속도 근처나 이상에서 효율은 좋지만 3상 유도전동기 비하면 뒤진다(저속 시 효율이 낮다)
3상 분권 정류자전동기(시라게전동기)
정속도 특성 및 가변 속도 전동기이고 브러시를 이용하여 속도제어와 역률을 개선한다.

(3)서보 모터(Servo Motor)

기동토크가 클 것(직류 서보 모터>교류 서보 모터)
급가감속 및 정역 운전이 가능할 것
전기적 시정수가 짧고 관성모멘트가 작을 것
토크와 속도 곡선이 수하특성을 가질것
직류용은 속응성 향상을 위해 전기자권선은 가늘고 길게 하고 공극의 자속밀도를 크게 할 것

(4)스텝 모터(Step Moter)

회전각과 속도는 펄스수에 비례한다
오픈 루프에서 속도 및 위치 제어를 할 수 있다
다른 디지털 기기와의 인터페이스가 쉽다
정격 및 가감속이 쉬어 기동 특성이 좋다
속도제어 범위가 광범위하고 초저속에서 큰 토크를 발생할 수 있다
위치제어를 할 때 각도오차가 작고 누적되지 않는다.
종류는 가변 릴럭턴스형(VR), 영구자석형(PM), 복합형(H)이 있다.