유도전동기의 개요

유도전동기의 개요

 

산업현장에서는 펌프, 컴프레서, Blower등 다양한 종류의 설비들이 운전되고 있 으며 이들을 구동하는 동력원으로써 가장 많이 사용되는 것이 유도전동기이다. 유도전동기는 구조가 간단하고 매우 튼튼하며 다른 모터들에 비에 가격도 상대 적으로 저렴하기 때문에 거의 모든 부하에 무난하게 적용되는 장점을 가지고 있기에 유도전동기를 일컬어 산업현장의 총아 (寵兒)라고 부른다. 이와 같은 사유로 유도전동기의 개념을 이해하는 것은 유도전동기의 운용을 위 해 무척 중요한 사항이라고 생각하며, 여기서는 필자가 현장에서 알아 두면 무 척 유용할 것이라고 생각한 기본 개념들을 위주로 설명하고자 한다. 또한 유도전동기의 기본 원리들은 동기전동기와 같은 타 교류기기에 확장적용 이 가능하기 때문에 잘 이해해 두어야 한다고 생각한다. 여기서는 주로 3상 유도전동기의 원리 및 구조, 선정방법과 현업에서 활용할 수 있는 사항들을 위주로 기술하고자 한다.

 

유도전동기의 원리

 

전기로 구동되는 모든 회전기기는 그 원리가 플레밍의 왼손법칙을 따르도록 회 전방향이 결정되며, 이렇게 하기 위해서는 반드시 자기장을 만들어 주는 자석 과 이 자기장에서 자유롭게 회전할 수 있는 전류를 흘려주는 도체로 구성되어 있어야 한다. 우리가 잘 알고 있는 직류전동기와 동기전동기를 보면 자기장을 만들어 주는 전자석과 (또는 영구자석) 코일로 구성되어 있음을 알 수 있다. 따라서 직류전동기와 동기전동기는 전자석을 만들기 위한 계자전류 공급설비와 전류를 흘려주기 위한 주 전원공급설비를 반드시 갖추고 있어야 한다. 그런데 유도전동기를 보면 달랑 3상 전원만을 공급하면 전동기가 회전한다. 그렇다면 유도전동기는 자기장을 만들기 위한 자석이 필요하지 않은 것인가? 절대 그렇지 않고 반드시 자기장이 필요하며, 이때 자기장을 만드는 자석전류 를 주 전원에서 유도하여 자기장을 만들기 때문에 유도전동기라 하는 것이다. 이와 같이 별도로 자기장을 만들기 위한 계자전류 공급설비가 필요한 타 전동 기에 비해 유도전동기는 구조가 무척 간단하며 견고하고 Control이 무척 간단 하여 산업현장에서 그야말로 부하의 종류를 막론하고 막 쓸 수 있는 것이다.

 

기자력 보존법칙의 이해

 

자기장과 자기장의 관계 및 자기장과 전류와의 관계를 포함한 자기회로의 기본 개념을 잘 이해하기 위해서는 기자력의 보존법칙에 대한 이해가 필수적이다. 이 원리는 갑작스런 것이 아니며 우리가 잘 알고 있는 통상의 보존원리들과 같 은 개념에서 출발하게 된다. 간단하게 설명하면 자기장이 전류가 흐를 수 있는 도체 또는 전류가 흐르는 도 체의 주위에서 변하면 이 자기장의 변화에 의해 주변 도체에 유도되는 전류는 자기장의 변화를 반대하는 방향으로 유도된다는 것이다

 

아라고 원판

유도전동기에 관련된 책자의 맨 첫머리에 소개되는 것이 바로 아라고 원판의 원리라고 생각한다. 1820년대에 유럽의 과학자 아라고라는 사람이 자유로이 회전할 수 있는 원판 을 만들고 이 원판과 아주 작은 틈을 갖도록 자석을 바짝 붙여서 자석을 돌렸 더니 신기하게도 원판이 같은 방향으로 따라 도는 것을 발견한 것이다. 이것이 유도전동기의 원리가 발견되는 중요한 실험이 된 것인데 아라고라고 하 는 과학자는 분명 호기심이 남달랐던 것으로 생각된다. 아라고 원판의 원리는 통상 다음과 같이 설명되어 있다. “자석을 돌리면 원판이 자속을 끊으므로 원판의 표면에 와전류가 발생되고 이 와전류와 자석간에 힘이 작용하여 원판이 자석과 같은 방향으로 회전한다.” 적절한 설명이지만 읽어보기에 따라서는 언뜻 이해하기에 쉽지 않은 것도 사실 이다. 해서 이를 앞에서 설명한 기자력 보존법칙으로 설명해 보도록 한다.

 

유도전동기의 회전원리

앞에서 설명한 내용을 토대로 살펴보면 모터가 회전하기 위해서는 반드시 자기 장을 만들 수 있는 자석과 이 자기장에서 자유롭게 회전할 수 있는 구조를 가 진 전류가 흐르는 도체가 있어야 함을 알 수 있었다. 아울러, 별도의 자석이 없더라도 아라고 원판 원리에 의해서 회전하는 자석과 자유로이 회전할 수 있는 도체가 있는 경우에도 가능함을 알았다. 이렇게 별도의 자석이 없이 회전하는 자석에 의해 원판의 표면에 와전류가 유 도되고 이 와전류와 회전하는 자석과의 작용력으로 원판이 자석을 따라 회전하 는 원리를 이용한다는 의미에서 유도전동기라는 이름이 생겼음도 알았다. 그렇다면 이제 회전하는 자석을 만들어야 하는데 실제 기계적으로 회전하는 자 석을 만들어서 이를 돌리면서 유도작용에 의해서 도체가 뒤따라 회전하는 모터 를 만든다는 것은 차라리 별도의 자석을 만드는 것보다도 복잡하게 될 것이다. 하지만 테슬러의 공헌으로 다상교류를 일정한 전기각 간격으로 원주상에 배치 하여 전류를 흘려주면 회전자계가 생긴다는 것을 알아냈으며, 3상 전원을 이용 하여 3상 유도전동기로 구현해 냈다. 3상 교류에 의한 회전자계의 발생개념은 필자가 작성해 놓은 해당 자료를 참고 하면 될 것이며 여기서는 생략한다