단상유도전동기의 기동⁕

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유도전동기의 기동방식 ✶(X)
유도전동기의 기동방식✶

단상 유도전동기는 이론적으로 기동 토크를 발생시킬 수 없다. 따라서 기동 토크를 만들어 내기 위해서는 추가적인 장치가 필요하다.

단상 유도기를 기동시키는 방법에는 외부에서 회전자를 회전시켜주거나 보조권선을 이용하는 방법을 사용한다.

단상유도 전동기의 원리

1) 2 회전자계 이론(Double revolving field theory)

\[ F(t)= \dot{F_f} +\dot{F_b} =\frac{ F_m}{ 2} \sin(-\omega t) + \frac{ F_m} { 2} \sin(\omega t) \]

단상 권선에 단상 교류전압이 인가되면 회전하지 않는 교번자속(pulsating flux)이 발생된다. 유도전동기의 속도-토크 특성을 설명하기 위해서 이 교번자속을 2개로 회전자계로 분리하여 설명하는 이론이다. 하나는 정회전 성분(Φf)과 다른 하나는 역회전 성분(Φb)으로 나눠서 회전자계가 존재하는 것으로부터 설명하는 이론이다. “2 회전자계 이론(Double revolving field theory)”이다.

(1) 슬립(slip)
① 정방향 회전자계 측면에서 본 슬립

\[ s_f = \frac{ n_s -n} { n_s}=s \]

② 순방향 회전자계 측면에서 본 슬립

\[ s_b =\frac{ -n_s -n}{- n_s} = \frac{ n_s +n} { n_s} \]

\[ s_b=\frac{ n_s +n}{ n_s}=\frac{ 2n_s +n -n_s} { n_s} \] \[= \frac{ 2n_s}{n_s } – \frac{ n_s -n} {n_s } =2-s \]

③ 속도-토크 특성 곡선

정지시에 정방향 토크과 역방향 토크의 합이 0이 되어, 즉 기동토크가 없다.
그러므로 단상 유도전동기를 기동하기 위해서는 적당한 방법을 써서 기동토크를 발생시켜 주기 위해서 회전자계를 만들어 주어야한다.

2) 직교자계 이론

단상 교류전압을 고정자에 인가하면 정현적으로 교번하는 고정자 자속이 만들어지고 Lenz의 법칙에 의해서 회전자에는 반대 방향의 자속이 만들어진다. 회전자가 정지시에 두 자속은 나란히 정렬되어서 아무런 토크도 작용하지 않는다.

회전자를 인위적으로 회전을 시켜주면 회전자에는 아래의 속도기전력이 발생된다.

\[ emf =\int _{ l} ^{ } { } (\vec{V} \times \vec{B} ) \cdot \vec {dl} \]

이 속도기전력에 의해서 회전자에 전류가 흐르고 회전자 자계를 만들어 낸다. 이때 고정자 자속은 항상 직축인 축상에서만 교번(크기만 증가했다 감소했다를 반복)하게 되고, 회전자 자계는 횡축인 축에서만 교번하게 된다. 여기서 고정자 자계를 직축자계(Φd)라고 하고, 회전자 자계를 횡축자계(Φq)로 표기한다. 회전자 회로는 저항보다 리액턴스 성분이 매우 크기 때문에 회전자 전류와 속도기전력의 위상은 거의 90°에 근접한다. 이와 같은 관계에서 고정자 자계와 회전자 자계는 90°의 위상차가 발생된다. 또한 위의 관계를 이용해서 위상각에 따른 Φd, Φq및 합성자속(Φnet)의 순시방향을 살펴보았다. 90°위상차를 갖는 직축 및 횡축 자계가 정현적으로 자기 자리에서 교번하여도 합성자속은 한주기 동안 동일한 크기를 유지하며 1회전함을 알 수 있다.

단상유도 전동기의 종류

1) 분상기동형 단상 유도전동기

주권선과 보조권선이 있는데 보조권선에 가는선을 감고(저항R크게), 주권선의 코일(L성분이 크게)을 설치하여 교번자계 발생하여 기동하는 방식

기계적인 수단을 동원하지 않고 단상전원으로부터 회전자계가 발생될 수 있도록 하는 방법이다. 그렇게 하기 위해서 고정자 권선을 주권선(Main winding)과 보조권선(Auxiliary winding)으로 나누어 2상전원을 인가한다. 보조권선을 기동권선이라고 부른다.

주권선과 기동권선은 서로 X/R비를 달리하여 전류의 위상차가 형성되도록 한다. 일반적으로 위상차는 20~30°정도 발생된다.

기동권선은 주권선과 90°위치에 배치하고 권선의 굵기가 가는 코일로 턴수는 주권선의 0.4~0.6배 정도로 권선한다. 전류와 자계는 동상이므로 각각 만들어진 자계는 전류와 동일한 위상차를 갖게 된다. 이로 인해서 회전자계가 만들어 진다. 2개의 자계가 직축과 횡축에 각각 놓이게 되더라도 동상이면 아래 그림과 같이 합성자계는 회전하지 못하고 한자리에서 교번하게 된다. 또한 위상차에 따라서 회전자계의 궤적을 나타내었다.

단상유도전동기는 일단 기동만 되면 회전자는 동기속도 부근까지 가속된다. 또한 기동권선의 도체단면적은 작은 것을 사용하므로 온도상승이 빠르게 되므로 기동 중에만 전압을 인가하고, 전동기의 회전속도가 동기속도의 75~80%에 달하면 스위치가 개방되도록 한다.

이와 같이 단상 유도전동기는 기동토크가 없으므로 상분할 회로를 사용하여 주권선의 전류와 기동권선의 전류의 위상차를 형성시켜 기동토크를 얻는 방식이다.

2) 콘덴서 기동형 단상 유도전동기

진상용 콘덴서의 90° 앞선 전류에 의한 회전자계를 발생시켜 기동하는 방식

콘덴서 기동형은 기동권선에 콘덴서를 직렬로 삽입하여 주권선 전류와 위상차를 더욱 증가시켜 위상차가 거의 90°가 발생되도록 하여 보다 큰 기동토크를 얻을 수 있다. 기동용 콘덴서의 용량은 비교적 큰 것이 요구되기 때문에 일반적으로 전해 콘덴서를 사용하는데 이들은 교류전압으로 사용할 경우 내부손실이 많아서 온도상승이 빠르므로 전동기의 속도가 동기속도의 75~80%에 달했을 때 원심력 스위치로 접속을 끊어준다. 기동용 전해콘덴서 보다 작은 용량을 가진 콘덴서를 기동권선과 직렬로 전원에 접속하면 전동기 운전상태에서의 효율 및 역률 및 최대 토크가 모두 향상되므로 운전상태에서 이와 같은 소용량 콘덴서를 접속시켜 상하는 것이 보통이다.

3) 콘덴서 구동형 단상 유도전동기

콘덴서의 용량을 운전시에 주권선과 기동권선의 전류 위상차을 90°를 갖는 값을 선정하여 원심력 스위치 없이 영구적으로 삽입하여 쓰는 방식이다. 이 경우에는 콘덴서 기동형에 비해서 기동토크는 작으나 원심력스위치를 사용하지 않고 운전시 역률이 좋아서 효율이 좋은 유도전동기이다.

4) 콘덴서 기동-구동형 단상 유도전동기

이 방식은 콘덴서 기동형과 구동형을 조합한 방식으로 특성이 다른 2개의 콘덴서를 기동권선 회로에 삽입하여, 기동토크를 증대시켜 기동특성을 양호하게 하고, 운전 중에 역률저하를 막아 효율이 좋은 방식이다. 즉 기동시에는 기동형 콘덴서로 기동되고 회전속도가 증가되면 기동형 콘데서는 스위치로 제거하고 구동형 콘덴서가 접속되도록 하는 방식이다. 이 방식은 가격이 비싸기 때문에 고가의 응용기기(컴프레서, 펌프, 냉장고 등)에 적용한다.

5) 셰이딩 코일형 단상 유도전동기

자극에 슬롯을 만들어 단락된 세이딩코일을 끼워 넣어 기동하는 방식

셰이딩 코일형 유도전동기는 자극의 한 부분을 홈을 내서 도체 1턴을 감아놓은 구조를 셰이딩 코일이라고 한다. 고정자 전류에 의해 발생된 자속은 셰이딩 코일을 통과하지 않는 자속(Φ)과 통과하는 자속(Φ’)으로 구분된다. 셰이딩 코일이 없다면 두 자속의 위상은 동일한 것은 당연하다. 그러므로 셰이딩 코일을 통해서 나온 자속의 위상의 변화를 주어 두 자속사이에 위상차를 발생시켜 회전자계는 아니지만 순간적으로 이동하는 이동자계를 만들어 줄 수가 있어 기동토크를 얻을 수 있다.위상차가 발생되는 원리를 보면 다음과 같다. 고정자 전류에 의해서 만들어진 자속(Φ)이 셰이딩 코일을 통과하면 셰이딩 코일에는 유기기전력(Es)이 발생된다. 셰이딩 코일에 흐르는 전류(Is)는 저항과 리액턴스의 비에 의해서 Es보다 뒤진 위상으로 흐를 것이다. Is는 자신과 동상의 Φs를 만들어 낼 것이다. 그러므로 셰이딩 코일을 통과한 자속(Φ’)은 Φ+Φs의 합성된 값이다. 그러므로 두 자속간에 위상차가 발생되어 작은 회전자계(또는 이동자계) 성분이 발생되어 전동기를 기동시킨다. 그러나 이때 발생되는 기동토크는 매우 작기 때문에 가정용 선풍기, 헤어 드라이어 등 소용량에만 사용된다. 또 셰이딩 코일은 정상 운전상태에서도 개방되지 않으므로 지속적으로 저항손실의 발생으로 효율이 매우 낮아 효율이 25[%]이하이다. 셰이딩 코일형 전동기는 내부손실이 크기 때문에 그 정격출력이 100[W]이하로 제한된다.