6장 단상전동기와 특수기
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[편집] 개요
지금까지 동기기, 유도기, 직류기, 변압기의 구조와 동작원리에 대하여 배웠습니다. 우리 생활 주변에는 지금까지 배운 기기외에도 많은 종류의 전기기기가 있습니다. 일상생활에서 많이 볼 수 있는 소형 전동기 중에는 단상 유도기와 특수기기를 들 수 있습니다. 앞에서 배운 유도기는 3상유도기에 관한 내용입니다. 3상 교류는 산업용으로 주로 사용되며 가정에서 주로 사용되는 것은 단상 교류입니다. 실제로 일상 제품에는 단상 유도기를 사용한 경우를 많이 볼 수 있습니다. 이장에서는 단상 유도 전동기와 특수전동기 그리고 일반적인 목적에 적용되는 여러 종류의 소형전동기에 대해서 설명하기로 합니다. 이들 기기들은 지금까지 설명한 일반 기기에서 볼 수 없었던 특이한 동작특성과 구조를 갖고 있습니다. 특수기기의 예를 들면 만능 전동기, 스테핑모터 등이 있습니다. 특수기기중의 많은 종류가 전자회로로 구성된 제어기의 구조를 동반하는 경우가 많습니다. 제어기의 구성은 대상 전동기의 동작원리를 충분히 숙지하여야 가능합니다. 이제 다양한 전동기 중에서도 폭넓게 사용되고 있는 소형 전동기들과 그들의 제어방식에 대하여 살펴 보도록 하겠습니다.
[편집] 단상 유도 전동기
단상 유도 전동기는 1마력 이하의 전동기로 제한되며 3상 유도 전동기에 비하여 특성이 떨어지며, 상용 단상 전원을 접속하여 사용합니다. 3상 유도전동기에는 3상의 교류가 인가되었고 각각의 상에 인가된 전류는 서로 위상차를 갖고 자계를 발생하였습니다. 각각의 상에서 발생하는 자속을 공간상에서 합성한 자속의 파형은 동기속도로 회전하는 회전자계를 발생하는 것을 배웠습니다. 하나의 상에 전류가 흐를때는 발생하는 자계는 맥동하는 자계로서 회전자계를 만들지 못합니다. 삼상에서는 세 개의 상에서 각각 만들어진 맥동 자계가 합성되어 회전자계가 발생했던 것입니다. 하나의 상을 가지고 회전자계를 얻는 것은 가능할까요? 단상교류로부터 회전자계를 얻는 것은 가능하지만 기술이 필요합니다. 2 회전자계론은 단상교류에서 회전자계가 어떻게 발생하는지를 설명합니다. 문제는 맥동자계 자체로는 기동토크를 얻을 수 없다는 것입니다. 단상 유도 전동기에서는 기동토크를 얻기위한 여러 가지 방법들이 사용되고 있으며, 고유한 기동 방식에 따라 전동기의 종류를 분류합니다. 그러면 어떻게 단상 유도기에서 회전자계가 생성되는지를 알아보겠습니다.
[편집] 토크의 생성
그림 6.1 은 단상 권선에 교류가 인가되고있는 모양을 보여줍니다. 그림에서 교류 전류가 권선에 흐를 때 자속은 맥동하여 좌우의 방향으로 자속의 방향과 크기가 바뀌어 나타납니다. 회전자는 농형 구조를 갖고 있으므로 좌우로 움직이는 자속의 변화에 대하여 위 쪽의 도체로부터 아래쪽의 도체로, 혹은 아래 쪽의 도체로부터 위 쪽의 도체로 순환하여 흐르는 유도전류를 발생하게 됩니다. 이와 같은 맥동 자계에 의하여 회전자 도체에 유도 전류가 흐르게 되면, 회전자의 윗부분 도체에 발생된 전자력과 회전자의 아랫부분 도체에 발생된 전자력은 서로 크기가 같고 방향이 반대가 되어 전자력이 상쇄되므로 회전력이 발생하지 않아 기동할 수 없게됩니다.
그림 6.1 고정자 권선과 토크 발생
이와 같이 고정자 권선에 의하여 만들어지는 교번 자속 Φ는 실제로 그림 6.2의 (a)와 같이 시간에 따라 시계 방향으로 회전하는 교번 자속(rotating magnetic field) 와 반 시계방향으로 회전하는 교번 자속 로 분해할 수 있고, 이는 다시 그림 6.2의 (b)와 같이 서로 반대 방향의 각속도 ω로 회전하는 2개의 회전 벡터 자속 와 로 나타낼 수 있습니다.
그림 6.2 교번 자기장의 분해
http://en.wikibooks.org/upload/1/13/63a.jpg http://en.wikibooks.org/upload/6/60/63b.jpg
(a) 2 회전 자계의 발생(t=t1) (b) 2 회전 자계의 발생(t=t2)
http://en.wikibooks.org/upload/0/06/63c.jpg http://en.wikibooks.org/upload/2/2c/63d.jpg
(c) 2 회전 자계의 발생(t=t3) (d) 2 회전 자계의 발생(t=t4)
http://en.wikibooks.org/upload/6/69/63e.jpg http://en.wikibooks.org/upload/9/90/63f.jpg
(e) 2 회전 자계의 발생(t=t5) (f) 2 회전 자계의 발생(t=t6)
그림 6.3 시간에 따른 2 회전 자계의 발생원리
그림 6.3에서의 6개의 그림은 2 회전자계의 발생 원리에 관한 프로그램입니다. 그림은 A 상 하나에 권선을 감은 단상 유도기의 고정자 구조를 나타냅니다. 아직 내부의 회전자 구조물에 대해서는 생각하지 않고 A 상에 교류 단상 전류가 흐르는 상황을 순서대로 해석하면 다음과 같습니다.
A 상에 교류 전류가 흐를 경우 발생 자계의 방향은 이와 직교하는 방향입니다. 즉, 좌우로 교번하는 자계가 발생합니다. 2 회전자계론은 이러한 교번 (혹은 맥동 이라고도 합니다) 자계의 움직임은 회전하는 두 자계의 합으로 해석할 수 있다는 것입니다. (a) 의 상태에서는 A 상의 전류의 값이 증가하고 있으며, 이에 따라서 발생 자계는 왼쪽으로 증가해 가고 있습니다. 현재 상태에서 왼쪽으로 발생한 자계는 실제로 두 개의 자계의 벡터적 합임을 알 수 있습니다. 설명 상의 편의를 위해서 위쪽에 있는 자계를 α 자계, 아래에 있는 자계를 β 자계라고 부르겠습니다. α 자계는 시계 반대 방향으로, β 자계는 시계 방향으로 회전하면 상하 방향의 자계의 세기는 0이 되고, 왼쪽 방향의 자계의 방향 성분만 합해져서 맥동자계가 되는 사실을 확인할 수 있습니다.
(b) 의 상태에서 전류의 값은 최대이며 이때 발생한 맥동 자계의 크기도 최대가 됩니다. 이를 구성하는 α,β 의 자계는 위치가 일치하게 됩니다. 맥동 자계의 크기는 이곳을 정점으로 감소하게 되는데 자계 α,β가 각각 지금까지 진행해온 것과 마찬가지의 궤적을 그리면서 회전하는 것을 확인할 수 있습니다. A 상의 전류가 0이 되는 순간에 맥동 자계도 0이되며 이 순간은 α,β의 자계가 상하로 정렬하여 서로 상쇄되는 위치에 있게 됩니다. 이 상태를 지나서 자계α,β는 각각의 방향으로 계속하여 회전하게 된다고 해석할 수 있습니다.
동일하게 해석하여 진행하면, 전류의 한 주기에 대하여 맥동 자속도 한 주기 발생하게 되며, 이에 대하여 α,β자계는 각각 일정한 크기를 가진 반시계 방향 자속, 시계 방향 자속으로 해석하는데 아무런 문제점이 없다는 것을 확인할 수 있습니다.
이 때, 각 자계의 α와 β는 각각 3상 유도전동기의 회전자계와 비슷한 방식으로 회전자에서 독립적으로 행동하므로 전동기에서는 두 개의 회전 자계가 존재하며 한 성분은 시계 방향으로, 다른 하나는 반시계 방향으로 회전하는 점이 다릅니다. 시계 방향의 자속성분 자체만을 놓고 생각하면 이 자속은 그림 6.4에서 Tcw로 표기된 토크-속도 특성곡선을 만들고, 반시계방향의 α 자속 성분은 Tccw의 토크를 만듭니다. 정지시 (s=1.0)에서는 발생한 두 토크 성분들이 서로 크기가 같고 반대 방향이라는 것을 관찰할 수 있습니다.
정지시에서 발생한 순토크는 0이지만(Tcw=Tccw), 일단 회전자를 어느 한 방향으로 움직이면, 토크가 생성되고, 기동한 방향으로 회전자가 움직이게 됩니다. 예를 들어, 회전자를 강제로 시계방향으로 회전시켰다고 가정하면, 곧바로 토크 Tcw 가 토크 Tccw 를 능가하게 되어 회전자는 Tcw 의 방향으로 가속하게 됩니다. 정상상태에서의 속도는 부하에 의해 결정되는 슬립의 동기속도 근처에서 이루어집니다. 이 슬립속도에서는 비교적 그 차이는 작지만 그래도 Tcw 의 값이 Tccw 값을 초과합니다. 또한 Tcw 를 기준으로 고려하면 회전자는 적은 슬립 값에서 동작하지만, Tccw 에 대하여 보는 경우 슬립은 거의 2가 됩니다. 이와 같은 사실은 Tccw 로 인해 유기 되는 전류는 전원 주파수의 두 배라는 것을 알려줍니다. 회전자 리액턴스는 슬립주파수에서 그 값이 커지게되며, 이때문에 발생한 회전자 전류는 높은 주파수 때문에 큰 역토크를 만들지 못합니다.
http://en.wikibooks.org/upload/d/d3/64a.jpg (a) 2 회전자계 이론의 시간상의 자속 분포
http://en.wikibooks.org/upload/3/3b/64b.jpg (b) 단상 유도기의 토크 특성 곡선
그림 6.4 2 회전자계 발생원리와 토크 발생
그림 6.4 의 그림은 시간 축에서의 2 회전자계의 분포 모양을 보여주는 프로그램입니다. 각각의 방향으로 회전하는 두 개의 회전자계를 합성한 모양이 맥동 자계와 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 시간축상에서의 작업이 끝나면 각각의 자계에 의해서 발생한 토크의 모양을 보여줍니다. 프로그램을 실행하기 위해서는 실행 후 q를 입력하면 됩니다.
지금까지는 2 회전자계의 발생 원리에 대하여 설명하였습니다. 이제부터 단상 유도기의 기동 원리를 간단히 설명하겠습니다. 3상 유도전동기에서는 회전시에 회전자계의 세기가 눈에 띄게 변동하지 않고, 자계벡터의 궤적은 그림 6.5에 나타난 것과 같이 원형 궤적을 나타냅니다. 그러나 단상전동기에서 만들어진 자계 벡터의 궤적은 보통 타원형으로 만들어집니다. 왜 이렇게 되는지는 회전자의 자계의 성질을 더욱 면밀히 검토해 보면 알 수 있습니다.
단상 교류 전원에 의해서 교번 자계가 발생하고 이는 사실 맥동하는 자계로서 회전하지 않지만 실제적으로는 회전하는 두 개의 회전자계가 합성되어 있는 것으로 해석할 수 있다는 것을 알았습니다. 어떠한 방식으로 한쪽 방향으로 회전력을 발생하면 한쪽 방향으로 회전하는 회전자계의 토크와 다른 방향의 회전자계의 토크와의 균형이 깨져서 회전자는 회전하게 됩니다.
2 회전자계 이론을 떠나서 맥동하는 자계에 대하여 시간적, 공간적으로 90 도의 위상 차를 갖는 다른 맥동 자계를 설치하면 두 자계의 합성 자계는 회전 자계를 발생하게됩니다. 다른 맥동 자계를 설치하지 않더라도, 이미 회전하기 시작한 단상 유도기의 경우에는 자연스럽게 제 2 의 맥동자계가 발생하는데 이는 다음과 같이 설명할 수 있습니다.
회전자가 회전하고 있을 때에, 고정자계와 동상인 전압이 회전자 도체에 유기됩니다. 이들 전압은 속도에 의존하기 때문에 정지하고 있는 변압기 동작으로 생성되는 변압기 기전력과는 대조적으로 속도기전력이라고 합니다. 이들 둘은, 당연히 변화하는 자속에 의해 생성되는데, 속도기전력은 자계와 도체 사이의 상대적인 움직임으로 인한 것이며, 변압기 기전력은 교번자계의 작용에 의하여 생성되는 것입니다.
그러므로, 회전자 도체에 유기된 회전자 전류가 흐르고, 회전자 도체는 전부 리액턴스 임피던스로 나타낼 수 있기 때문에, 회전자 전류는 유기된 회전자 전압에 90도 가까이 뒤지게 됩니다. 따라서, 그림 6.5에 그려진 것과 같이 회전자 전류가 만든 자계 또한 90도만큼 위상변위되며, 이자계φγ 을 교차자계(cross field)라고 합니다.
그림 6.5 교차자계의 발생
고정자는 맥동자계를 만들고, 회전하는 회전자는 고정자 자계에 비하여 시간적, 공간적으로 90도 뒤져서 맥동하는 2 차 자계를 생성하므로 회전자가 동기속도 가까이 회전할 때, 이들 두 자계는 사실상 같아지게 되고, 이 두 자계가 함께 거의 원형인 회전 자계를 생성합니다. 단상유도전동기에 부하를 접속하면 전동기의 속도는 감소하게 되고, 결과적으로 회전자에서 유기 되는 기전력을 감소시키는데 이것은 맥동자계를 감소시키게 되고, 결과적으로 자계는 그림 6.5의 (c)에서 나타난 것과 같이 타원형이 됩니다. 정지상태까지 속도를 계속 감소시키면, 얻어지는 자계는 고정자축에서 맥동하며 더이상 회전하지 않게 됩니다.
http://en.wikibooks.org/upload/9/98/66a.jpg (a) 단상 교류 전원에 의한 교번자계의 생성
http://en.wikibooks.org/upload/a/ac/66b.jpg (b) 교차 자계의 발생에 따른 무부하 운전상태
http://en.wikibooks.org/upload/0/08/66c.jpg (c) 부하 감소에 따른 교차 자계의 감소
그림 6.6 교차 자계의 발생 현상
그러므로, 한번 기동되면 앞에서 설명한 것과 같이 간단한 단일 권선(simple winding)을 가진 단상 전동기는 기동된 방향으로 계속 회전하게 됩니다. 실제로 사용할 때에는 자기기동이 안된다는 사실은 바람직하지 않기 때문에 자기기동을 할 수 있는 기동 토크를 얻기 위한 방법을 강구하여야 합니다. 자기기동을 위해서는 정지시에 공간적으로 고정자 자계와 수직인 자속성분을 제공해야 합니다. 고정자에 일반적으로 삽입하는 보조권선이 이 기동토크를 생성하는 데에 효과적입니다. 기동토크를 얻는 방법에 따라서 단상 유도 전동기는 분상 유도 전동기, 커패시터 기동전동기, 커패시터 운전전동기, 셰이딩 코일형 단상 유도 전동기로 분류 됩니다.
[편집] 구조와 특성
단상 유도 전동기의 구조는 3상 유도 전동기의 구조와 거의 같으며, 고정자 부분과 회전자 부분으로 되어있습니다. 고정자는 단상 권선으로 되어 있고, 회전자는 농형 회전자를 사용합니다.
단상 유도 전동기의 회전 속도 은 3상 유도 전동기의 회전 속도와 같으며, 1차 권선에 생기는 회전 자기장의 동기 속도는
![N_s = {120f \over p}[rpm]](/images/math/b/d/4/bd480e20848e1d37d66a1d89f05ff9eb.png)
(6.1)
입니다.
여기서는 동기 속도 , f는 전원 주파수, P는 자극수 입니다.
동기 속도 와 회전자 속도 사이에는 속도 차가 항상 생기며, 이 속도의 차와 동기 속도 와의 비를 슬립 s [%]이라 하며, 다음 식과 같이 됩니다.
![s = {N_s - N \over N_s} \times 100 [%]](/images/math/4/e/d/4ed0364ce7918944cad7fe342f838202.png)
(6.2)
그림 6.7은 단상 유도 전동기의 토크, 출력, 1차 전류, 효율, 역률 등을 속도에 대하여 나타낸 곡선입니다. 일반적으로, 단상 유도 전동기는 전부하 전류에 대한 무부하 전류의 비율이 매우 크고, 역률, 효율 등의 성능은 같은 정격의 3상 유도 전동기에 비해 나쁘고, 중량도 무겁고, 제작비가 많이 들지만, 단상 교류 전원에서 간단히 사용할 수 있는 이점이 있어서 가정용, 공업용, 농업용 등에서 주로 0.75 [kW] 이하의 소 동력용으로 널리 사용되고 있습니다.
http://en.wikibooks.org/upload/5/57/67a.jpg 그림 6.7 단상 유도 전동기의 특성
[편집] 단상 유도 전동기의 기동
앞서 설명한 바와 같이 단상 유도기 자체로는 기동토크를 발생하지 않습니다. 기동토크를 얻기 위한 여러 가지 방법이 사용되고 있으며 종류별로 기동 방법을 살펴보도록 하겠습니다
[편집] 분상(split-phase) 유도 전동기
분상 유도 전동기는 상을 분리하여 기동 특성을 얻어내는 방식의 단상 유도 전동기입니다. 가장 많이 사용되는 형태로서 냉장고, 세탁기, 송풍기, 선풍기, 원심펌프등 다양하고 광범위한 응용분야에서 사용되고 있습니다.
고정자 철심에는 두 개의 코일이 병렬로 연결되어 있는데 하나는 주권선 다른 하나는 보조권선이라고 합니다. 주권선과 보조권선은 공간적으로 90°의 위상차를 갖도록 권선되어 있습니다. 물론 회전자는 농형으로 되어 있습니다. 공간적으로 90°의 위상차를 갖고 있더라도 전기적인 위상차가 없이는 기동 토크를 얻을 수가 없습니다. 그림 6.8 은 이러한 내용을 설명합니다.
두 개의 권선에 흐르는 전류의 위상 차를 갖게하는 것이 중요합니다. 분상에서는 주 권선과 보조 권선간에 전류의 위상차를 갖게하기 위하여, 주권선은 굵은 선을 사용하고, 보조 권선은 가는 선을 사용하여 권선 저항을 크게 하고 리액턴스를 작게 하여 기동 순간에 두 권선의 전류 사이에 30°의 위상차를 만들어 낼 수 있습니다. 이렇게 권선들이 위상차를 갖게되면 회전 자기장을 얻을 수 있으며 이것은 그림 6.8 의 (b)에서 확인할 수 있습니다.
보조 권선에 원심력 스위치를 직렬로 연결하고, 주권선을 병렬로 접속하여 그림 6.9의 (a)와 같이 단상 교류 전압을 가해 주면, 그림 (b)와 같이 리액턴스가 큰 주권선 M에는 공급 전압 V보다 상당히 뒤진 위상의 전류Ia 가 흐르고, 리액턴스는 작고 저항이 큰 보조 권선 A에는 공급 전원 V보다 위상이 조금 뒤진 전류Im 이 흐르게 됩니다.
주권선의 전류와 보조 권선의 전류는 θ만큼의 위상차가 생기고 이제 회전 자기장이 만들어져서 기동 토크가 발생하고, 전동기는 회전을 할 수 있게 됩니다. 전동기의 회전자 속도가 증가하여 동기 속도의 약 70∼80[%] 정도가 되면 원심력 스위치가 작동하여 보조 권선 A의 회로를 자동으로 개방하고, 주권선 M에 의해 전동기는 회전하게 됩니다. 분상 기동형 단상 유도 전동기의 회전 방향을 바꾸기 위해서는 어떻게 하면 될까요? 이 경우에는 주 권선과 보조 권선의 전류의 위상 순서를 바꿔주면 됩니다.
http://en.wikibooks.org/upload/8/81/68a.jpg (a) 두 권선간에 전기적 위상차가 없는 경우
http://en.wikibooks.org/upload/0/01/68b.jpg (b) 권선간의 위상차가 30 도 인 경우
그림 6.8 분상 유도 전동기의 기동원리
분상 기동형 유도 전동기의 정지시의 기동 전류는 일반적으로 정격 전류의 5∼7배로 크며, 기동 토크는 정격 토크의 1.5∼2배 정도로 비교적 작습니다. 분상 기동형 단상 유도 전동기는 과거에 많이 사용되어 오던 단상 유도 전동기었으나, 기동 토크가 작고, 원심력 스위치가 부착되어 있어 부피가 커지며, 큰 기동 전류가 흐르는 단점 때문에 요즈음은 대체로 200 (W) 이하의 단상 유도 전동기에 제한되어 사용됩니다.
그림 6.9 분상 기동형 단상 유도 전동기의 원리
[편집] 커패시터 전동기
결국 단상 유도기의 기동 방식은 주 권선과 보조 권선의 전기적 위상차를 어떠한 방식으로 만들어 낼것인가의 차이입니다. 기동 코일에 흐르는 전류의 위상차를 만들어 낼 수 있는 간단한 방법은 콘덴서를 삽입하는 것입니다. 콘덴서를 삽입함으로서 전류의 위상을 앞서게 할 수 있습니다. 결과적으로 기동 권선에 흐르는 전류는 주 권선에 흐르는 전류에 비하여 90° 정도 앞서게 되고 두 개의 권선은 공간적, 시간적인 위상차이를 가지므로 회전자계를 만들어내게 됩니다.
기동 권선에는 원심력 스위치가 달려 있고 어느 정도 속도에 이르면 이 스위치의 작용으로 기동 권선이 개방됩니다. 운전시에는 기동시 사용되었던 보조 권선을 개방하고 주 권선만 운전하는데 기여하게됩니다. 커패시터가 기동하는 용도로만 사용되고 원심력 스위치에의해서 분리되므로 이러한 경우에는 커패시터 기동 전동기라고 합니다. 원심력 스위치를 사용하여 보조 권선을 사용하지 않고 계속하여 콘덴서가 연결되어 있는 보조 권선을 사용하게되는 것은 커패시터 운전 전동기라고 합니다. 원심력 스위치가 없기 때문에 구조가 간단해지고 역률이 좋기 때문에 큰 기동 토크를 요구하지 않고 속도를 조정할 필요가 있는 선풍기 나 세탁기 등에 널리 쓰이고 있습니다. 이 방식에는 기동 토크와 운전 토크의 양쪽을 모두 고려한 값으로 콘덴서의 값을 결정하므로 기동토크가 낮아질 수 있습니다.
커패시터 기동 커패시터 운전형은 기동시와 운전시에 콘덴서를 모두 사용하는 방식으로 이것은 기동시와 운전시 콘덴서가 연결되어 있는 두 개의 권선을 이용하는 방식입니다. 이 방식은 높은 기동토크와 운전토크를 얻을 수 있는 장점이 있습니다.
[편집] 셰이딩-폴 전동기
쉐이딩 폴 전동기 (shading-pole motor) 은 돌극형의 구조를 갖고 있습니다. 이는 그림 6.10 에서와 같이 각각의 돌극의 일 부분에서 단락된 동선을 감아 놓고, 전체의 극에는 주 권선을 감아 놓았습니다. 주 권선에서 전류가 흐를 때 쉐이딩 코일에는 기전력이 유기되고 전류가 흐르게 됩니다. 이 때 발생된 자속은 주 권선 전류에 의해 자속의 위상을 늦추게 됩니다.
결과적으로 쉐이딩 코일이 없는 부분의 자속이 최대치에 도달한 후 쉐이딩 코일의 자속이 최대치에 도달하게 됩니다. 그리하여 자속은 쉐이딩 코일이 감겨 있지 않은 부분에서 감겨 있는 부분으로 이동하게 되며, 회전자계가 형성되어 기동토크를 발생하게 됩니다.
그림 6.10 쉐이딩 코일형 전동기
[편집] 만능(직권) 전동기
직류와 교류를 모두 사용할 수 있는 전동기를 만능 전동기(universal motor)라고 합니다. 직류 직권 전동기는 계자 권선과 전기자 권선이 직렬로 되어 있으며, 그림 6.11의 (a)는 직류 직권 전동기에 직류 전압을 가해 줄 때 흐르는 전류의 방향과 전동기의 회전 방향을 표시하고 있습니다. 또, 직류 직권 전동기에 가해 주는 직류 전압을 그림 (b)와 같이 바꿀 경우에도 자속과 전기자 전류의 방향이 모두 반대가 되어, 회전방향은 변하지 않습니다.
그림 6.11 직·교류 양용 전동기의 원리
따라서 이 직류 직권 전동기에 교류 전압을 가해 주어도 전동기는 항상 같은 방향으로 토크를 발생하고, 같은 방향으로 회전을 계속합니다. 직·교류 양용 전동기는 이와 같은 원리를 이용한 전동기로서 단상 직권 정류자 전동기라고 합니다.
직류용의 직권 전동기를 그대로 교류용으로 사용하면 철심이 가열되고 역률과 효율이 낮아지며, 정류가 좋지 않아서 전동기로서 적당하지 않기 때문에 직·교류 양용 전동기는 직류와 교류 모두 사용할 수 있도록, 다음과 같은 구조 변경을 합니다.
첫째, 이 전동기는 자기 회로의 자속이 교번 자속이므로, 이로 인한 철손을 줄이기 위해 전기자 뿐만 아니라, 계자의 철심에도 성층 철심을 사용합니다. 둘째, 계자 권선의 리액턴스 때문에 역률이 매우 낮아지므로, 계자 권선의 권 수를 적게 하고 주자속을 줄입니다. 이에 따른 토크의 감소를 보충하기 위하여 전기자 권선 수를 크게 합니다. 따라서, 동일한 정격의 직류기에 비하면 전기자가 커지고, 정류자편의 수도 많아지게 됩니다. 셋째, 전기자 권선 수가 증가하면 전기자 반작용이 커지므로, 극히 소출력의 전동기 이외에는 보상 권선을 설치합니다.
직·교류 양용 전동기는 기동 토크가 크고 회전수가 크기 때문에 전기 드릴, 전기 청소기, 전기 믹서 등의 전동기로서 많이 사용됩니다.
[편집] 직류 서보 전동기
서보전동기는 때로는 제어 전동기라고도 불리는데 이는 피드백 시스템을 사용하여 출력 속도나 토크등을 제어하기 위하여 제작된 전동기를 부르는 이름입니다. 서보 모터가 응용되는 정격 전력의 범위는 수 와트에서 수백 와트 정도의 영역을 차지합니다. 제어가 목적이니 만큼 응답속도가 빨라야하고 이를 위해서는 관성이 작아야 효과적이겠습니다. 이러한 이유로 서보 모터의 전동기들은 직경이 작고 길이가 깁니다. 저속이나 정지상태로 동작 되는 경우가 빈번하므로 유사한 정격의 일반 전동기보다 큰 토크나 전력 정격을 발생하기위해 크기가 큽니다. 이들이 적용되는 범위는 상당히 광범위한데, 로봇, 레이더, 컴퓨터, 견인 시스템등에 이용됩니다. 교류를 이용한 서보전동기와 직류를 이용한 서보전동기에 대하여 각각 설명하도록 하겠습니다.
[편집] 교류 서보 모터
위치제어에 사용되는 교류서보전동기는 보통 2상 유도 전동기입니다. 고정자는 서로 직각으로 위치하는 자극편에 두 개의 계자권선을 감은 구조를 가지고 있으며, 회전자는 전형적인 농형입니다. 고정자 구조의 배열(구조)을 그림 6.12에 나타내었습니다.
기준권선이라고 하는 하나의 권선은 교류전원에 연결되고, 다른 한 권선인 제어권선은 기준권선에 인가되는 전압과 같은 주파수의 다른 외부 전압 전원에 연결됩니다. 만약, 고정자권선에 주어진 두 전압 사이에 전압 위상차가 생기면, 회전하는 자계가 생성되고 회전자는 앞에서 설명한 원리로 회전하게 되며, 방향은 두 전압 사이의 상대적인 위상차에 의존하게 됩니다. 그러므로 이와 같은 구조는 한 개의 상을 완전히 여자시킨 상태에서 다른 한 개의 상을 조정함으로써 전동기 속도와 실속(失速)토크를 제어할 수 있게 해줍니다. 이 전동기는 토크-속도 곡선이 거의 선형이기 때문에 다른 전동기와 꽤 다른 특성을 갖게 됩니다. 제어권선에 걸린 전압을 감소시키면 그림 6.13에 보인 것과 같은 일련의 특성곡선을 얻을 수 있습니다. 높은 토크와 가속을 보장하기 위해서, 회전자의 길이가 그 직경에 비해 비교적 길며, 제어 전압이 0으로 줄어든 후에 단상으로 운전되는 것을 방지하기 위해 회전자 저항은 높습니다.
그림 6.12 2상 서보전동기
그림 6.13 서보모터의 이상적인 토크-속도 특성
[편집] 직류 서보 전동기
직류 서보 전동기는 타여자 직류 전동기 또는 영구 자석 직류 전동기를 사용합니다. 기초 동작 원리는 앞서 배운 직류기의 제어 방식과 마찬가지입니다. 일반적으로 이러한 직류 서보 전동기는 전기자 전압으로 제어됩니다. 전기자는 저항이 커서 속도-토크 곡선이 선형이고, 그림 6.13 과 같이 아래쪽으로 기우는 기울기를 갖고 설계됩니다. 이러한 특성이 직류 서보 전동기의 제어를 쉽게하는 역할을 합니다.
[편집] 스테핑 모터
직류 스테핑 모터(DC stepping motor)는 자동 제어 장치를 제어하는 데 사용되는 특수전기 기기로서, 특히 고출력 서보 기구에 많이 사용됩니다. 직류 스테핑 모터는 전기 신호를 받아 회전 운동으로 바꾸고 기계적 이동을 하게 합니다. 이것은 교류 동기 서보 모터에 비하여 효율이 훨씬 좋고 큰 토크를 발생합니다.
이 전동기는 입력되는 각 전기 신호에 따라 규정된 각만큼씩 회전합니다. 각 신호에 의한 회전 이동의 양은 입력되는 연속 신호에 따라 정확하게 반복되며, 이 전동기의 출력을 이용하여 다른 기계의 속도, 거리, 방향 등을 정확하게 제어할 수 있습니다.
스테핑 모터는 공작기계의 수치제어에 사용되고 있고, 프린터의 종이 공급, 토크 요구치가 적은 로봇 응용 분야, 자동 드릴링에서의 위치제어, X-Y 플로터, 플로피 디스크의 구동등 폭넓은 적용 범위를 갖고 있습니다. 스테핑 모터는 기본 원리에 의해서 가변 자기저항 스테핑 모터, 영구자석 스테핑 모터, 하이브리드 스테핑 모터의 세가지로 구분할 수 있습니다.
스테핑 모터의 회전은 외부에서 주어지는 펄스 입력으로 시작됩니다. 각각의 고정자 측에 권선이 되어 있으며 각각의 권선은 외부 단자에 연결되어 있습니다. 외부에서는 원하는 코일의 단자에 펄스 형식의 전류를 인가함으로서 원하는 코일만 선택적으로 전류를 흘려줄 수 있습니다. 코일에 흐르는 전류는 자속을 발생하며, 일반적으로 이 자속은 가변자기 저항 스테핑 모터의 경우에는 회전자가 자성체로 구성되어 있으므로 회전자를 통하여 자기회로를 구성하게 됩니다. 구성된 자기회로에서 자속의 경로를 최소한 짧게 하려는 속성 때문에 회전자는 발생 자속의 경로를 최소화하는 방향으로 움직이게 됩니다. 이것은 자속을 발생하는 코일이 연결된 두쌍의 돌극을 이어주는 방향으로 회전자가 정렬하게 된다는 것입니다. 여러 가지 입력 펄스의 값을 조절함으로서 연속적인 회전 특성을 얻는 것이 가능합니다.
영구 자석 스테핑 모터는 회전자가 영구자석으로 되어 있어서 코일에 여자된 극성과 밀거나 당기는 방향으로 힘을 발생하게되어 회전력을 얻게 됩니다. 하이브리드 형은 이러한 두가지의 스테핑 모터의 특성을 복합적으로 이용하는 성질을 갖고 있습니다.
그림 6.14는 영구 자석형 스테핑 모터의 동작 원리를 설명합니다. 왼쪽 고정자와 회전자는 직류 스테핑 모터의 구조를 간략하게 나타낸 것입니다. 그리고 오른쪽 상단의 도표는 각 스위치 마다 입력되는 펄스의 상태를 보여주는 것이며, 아래의 그림은 스테핑 모터의 고정자를 여자시키기 위한 스위칭회로를 간략화 시켜놓은 것입니다.
http://en.wikibooks.org/upload/e/e1/614.jpg 그림 6.14 영구자석형 스테핑 모타의 초기 상태
이 프로그램의 작동은 중앙 상단에 있는 정회전, 역회전 버튼을 마우스로 클릭 토글시켜 정·역을 결정 한다음 입력펄스 버튼을 클릭하면 마치 스테핑 모터에 펄스가 한 개씩 입력되는 것과 같이 펄스의 입력상태와 스위치의 위치 그리고 스테핑 모터의 한 스텝 회전하는 모습 보여줌으로써 스테핑 모터의 정·역회전을 단계별로 확인할 수 있습니다.
그림 6.14에서 전원 E 로부터 연결된 권선은 A 권선의 쌍임을 알 수 있습니다. 현재 상태에서 A 에 유기되는 극성은 N 극 A' 에 유기되는 극성은 S 극을 띄게 됩니다. 이것은 현재의 회전자와 서로 끌어 당기는 위치에 있게 되고 회전자는 현재의 위치에서 멈춰있게 됩니다.
http://en.wikibooks.org/upload/4/4d/615.jpg 그림 6.15 영구 자석형 스테핑 모터 ( 90°회전)
이제 외부의 제어회로에서 B 의 권선에 펄스 전류를 인가하는 방향으로 전류를 흘려 주게됩니다. 외부의 스위칭 회로를 보면 이제 맨 아래쪽의 스위치가 단락되어 있는 것을 확인할 수 있습니다. 그림 6.15 로부터 B' 의 극성은 N 극을 B 의 극성은 S 극을 띄게됩니다. 이 때 A 와 A' 에는 전류가 흐르지 않게 되고 내부의 회전자는 반시계방향으로 회전하기 시작하여 반시계 방향으로 90°만큼 회전하게 됩니다.
이제 다음 단계에 일어나야할 일을 상상할 수 있습니다. 현재의 관성을 유지하며 회전을 계속하기 위해서는 A' 의 극성을 N 극으로 하고 A 의 극성을 S 극으로 하는 방향으로 전류를 흘려야합니다. 이와 같은 목적을 달성하기 위해서는 위에서 세 번째의 스위치를 각각 단락하면 됩니다. 회로를 따라서 흐르는 전류의 방향을 따라가면 기전력 E 로부터 흘러나온 전류는 위쪽의 스위치에서 세 번째 접점을 통하여 인입된 후 먼저 A' 의 코일을 따라서 흐르고 A 의 코일로 유입됩니다. 이 전류의 방향은 초기 상태와는 같은 코일이지만 전류의 방향은 반대가 됩니다. 따라서 발생하는 자극의 극성도 초기 상태와는 반대의 값을 가지게 되며, A' 의 극성은 N 극으로되고 A 의 극성은 S 극으로 되어 회전자의 회전 토크를 발생하도록 하게되며 이는 그림 6.16에 나타내고 있습니다.
http://en.wikibooks.org/upload/3/3c/616.jpg 그림 6.16 영구 자석형 스테핑 모터 ( 180°회전)
이제 270°회전을 위해서는 B 의 극을 N 극으로 B' 의 극을 S 극으로 하여야합니다. 그림 6.17 로부터 두 번째 스위치를 단락하여 B 와 B'를 원하는 극성으로 만들 수 있음을 알 수 있습니다.
위와 같은 방식으로 제어회로의 펄스입력에 의한 전류의 흐름을 조절하여 회전자를 회전할 수 있게됩니다. 이상에서 스테핑 모터는 펄스입력을 정교하게 원하는 바 대로 입력할 수 있는 제어회로를 갖고 있어야 합니다. 위치 제어도 정해진 위치만큼씩 움직이는 것이므로 피드백 없이도 원하는 위치 만큼을 정확하게 움직일 수 있는 장점이 있습니다.
일반적으로 회전각은 여러개의 고정자를 다발로 묶어서 더욱 적은 각도로 회전할 수 있도록 구성합니다. 동일 회전자 축을 사용하되 고정자의 극을 길이 방향으로 여러 단위로 붙여서 각각의 고정자 돌극 위치가 약간씩 위상차를 갖도록 하면, 고정자에 입력되는 단위 펄스의 변화에 대하여 90°보다 적은 단위의 각도로 움직일 수 있습니다.
http://en.wikibooks.org/upload/0/00/617.jpg 그림 6.17 영구 자석형 스테핑 모터 ( 270°회전)
[편집] 요약
단상 유도기의 이론의 기초는 3상 유도기의 회전자계 이론으로부터 출발하였습니다. 어떻게 맥동하는 자계를 두 개의 회전자계로 분리할 수 있는지를 처음 단계로 설명하였습니다. 두 개로 분리된 회전자계는 동일한 크기를 유지하면서 하나는 동기 속도와 같은 방향으로 하나는 반대방향을 동기 속도로 회전하게 됩니다. 슬립의 방향을 한쪽의 회전 방향을 기준으로 할 때 같은 방향의 슬립은 s 로 표시할 수 있고 반대 방향은 2 - s 로 표시할 수 있습니다. 각각의 자계에 의해서 발생하는 현상은 유도기의 특성을 그대로 나타내게 되며 이는 삼상에서의 작용과 동일합니다. 단상 권선에서는 정방향과 역방향의 기자력의 크기는 같습니다. 이는 맥동 자계의 최대값의 1/2 에 해당하는 크기가 됩니다.
다음 단계로는 2 회전자계 이론을 두 개의 불평형 전압이 인가된 두 개의 상을 가진 전동기로서 해석하는 단계입니다. 두 개의 상에서 발생한 자계는 교묘하게 회전자계를 합성하게되며 이것은 회전력을 발생하게됩니다.
이 장에서는 단상 유도 전동기 이외에도 많이 사용되는 소형 전동기에 대하여 다루었습니다. 이러한 전동기는 설계가 복잡하고 경험적인 요소에 의해서 많이 영향을 받지만 일반적인 모터의 작동원리에서는 그리 많이 다르지 않습니다. 즉 각각의 전동기의 회전은 공간상에서 고정자와 회전자에 존재하는 자계의 분포의 변화에 따른 전기 자기적인 에너지 변환 과정에서 발생하게 됩니다.
만능 전동기는 단순히 직권 직류 전동기의 고정자와 회전자가 모든 성층되어 있는 구조를 갖고 있어 직류와 교류 양측의 전원에 대하여 모두 동작하도록 제작 되었습니다. 이 전동기는 믹서기, 진공 청소기, 전동 공구등에 사용됩니다. 제작하기도 용이하며, 속도 가변도 저항을 이용하거나 반도체용 전압 제어기를 사용하여 쉽게 달성할 수 있습니다.
스텝 전동기는 디지탈 분야에서 필수 불가결한 요소입니다. 고정자 권선에 적절한 펄스입력을 인가함으로서 아주 미세한 각도까지도 정밀하게 움직이도록 제어가 가능합니다. 이전동기는 디지탈 방식에 의해서 동작되는 고도의 해상도를 요구하는 전기 기계적인 장치에는 거의 사용됩니다. 이는 수치 선반제어기, 디스크 제어기, X-Y 플로터 등에 사용됩니다.
영구자석형 전동기도 많이 거론되는 종류의 소형전동기입니다. 이 전동기는 오랜동안 직류전동기의 속도 제어의 편리한 기능을 발휘하면서 계자를 따로 여자시킬 필요가 없는 장점 때문에 많이 사용되어 왔습니다. 제어 요소에 사용되는 디지탈 소자들의 값이 떨어지면서 영구자석형 전동기가 가격면에서 경쟁력을 갖게되었으며, 많이 사용되고 있는 소형 전동기중의 하나가 되었습니다.
[편집] 연습문제
1. 1/3마력, 110[V], 60.0 [Hz], 6극 분상 유도 전동기가 있다. 이 전동기가 기동 권선이 개방 된 채로 정격 전압과 정격 주파수에서 동작되며 전동기의 슬립이 8.0%일 때 분당 회전 속도는 얼마인가?
2. 1/3마력, 110[V], 60[Hz], 6극 분상 전동기가 있을 때, 고정자 전류가 4.5[A]이다. 이때의 입력 전력은 얼마인가? (단, 역률은 0.09이다.)
3. 어떤 특정한 응용 분야에 요구되어지는 3상 영구 자석형 스텝핑 모터가 의 스텝각으로 축의 위치제어가 가능하고, 600.0 [rpm]의 속도로 동작할 때, 이 전동기는 몇 개의 극을 갖는가?
4. 2회전 자계설로 단상 유도전동기를 설명하는 경우 정방향 회전 자계에 대한 회전자의 슬립이 0.1이면, 역방향 회전 자계에 대한 회전자 슬립은 얼마인가?
5. 단상 유도 전동기를 가동토크가 큰 순서대로 배열한 것은?
① 반발유도형 - 반발기동형 - 콘덴서기동형- 분상기동형
② 반발유도형 - 콘덴서기동형 - 쉐이드코일형 - 분상기동형
③ 반발유도형 - 모노사이클릭형 - 쉐이드코일형 - 콘덴서기동형
④ 반발기동형 - 반발유도형 - 콘덴서 기동형 - 쉐이드코일형
6. 보통 소형 유도 전동기의 직입 기동 전류는 정격전류의 대략 몇 배인가?
7. 3상 유도 전동기가 있다 슬립이 8.0%이다. 이때 2차 효율은 얼마인가?
8. 단상 유도 전압 조정기의 1차 전압 100[V], 2차 전압 100
30.0[V], 2차 전류는 50.0[A]이다. 이 전압 조정기의 정격 용량은 몇 [VA]인가?
9. 다음 그림에서 단상 유도 전동기의 슬립과 토크의 관계는?
파일:Http://en.wikibooks.org/upload/b/b5/6 9.JPG
⑴ ⓐ
⑵ ⓑ
⑶ ⓒ
⑷ ⓓ
10. 단상 유도 전압 조정기의 1차 전압 100[V], 2차 10030.0[V], 2차 전류는 50.0[A]이다. 이 조정기의 정격은 몇 [VA]인가?
11. 그림과 같이 1/4마력 120[V] 분상 전동기가 기동순간에 주권선 전류가 5.0[A]이고 전압원에 대해 45° 지상이며, 선전류는 10.0[A]이고, 전압원에 대해 30°지상이다. 이때 기동 권선에 흐르는 기동 전류는 몇 [A]인가?
파일:Http://en.wikibooks.org/upload/a/ab/6 11.JPG
12. 그림과 같은 180.0 회권을 가진 단권 변압기에 30.0 회권 지점에 탭을 연결시켰다. 이때 8.0 [μF]의 운전 커패시터를 1차 측으로 환산하면 몇 [μF]인가?
파일:Http://en.wikibooks.org/upload/c/cf/6 12.jpg
13. 단상 유도 전압 조정기의 1차 권선과 2차 권선의 축사이의 각도가 10°이고, 양 권선의 축이 일치할 때 2차 권선의 유기 전압이 170.0[V], 전원 전압이 250.0[V]일 때, 부하측의 전압은 몇 [V]인가?
14. 그림과 같은 커패시터 분상 전동기가 있다. 역률 0.9, 300.0 [kW]의 유도 전동기를 0.95롤 개선하기 위하여 필요한 콘덴서의 용량은 몇 [kVA]인가?
파일:Http://en.wikibooks.org/upload/e/e9/6 14.JPG
15. 200200.0 [V] 자기 용량 3[kVA]인 단상 유도 전압 조정기가 있다. 최대 출력은 몇 [kVA]인가?
16. 50.0개의 회전자치를 갖는 3상 스테핑 모터의 스텝 크기는 얼마인가?
17. 17.0개의 회전자치를 갖는 스테핑 모터의 치피치는?
18. 22.9의 스텝각을 갖는 스테핑 모터에 초단 600.0개의 펄스를 가했을 때의 회전 속도는 몇 [rpm]인가?
19. 단상 유도 전압 조정기의 1차 전압이 100[V], 2차 전압이 10030.0[V], 전압 조정기의 정격 용량이 1.5[KVA]일 때, 2차측 전류는 몇 [A]인가?
20. 3상 영구 자석형 스텝핑 모터가 5.9°까지의 스텝각으로 축의 위치 제어가 가능하고, 200.0[rpm]으로 동작하기 위해 제어 장치는 어느 정도의 펄스레이트를 받아야 하는가? (단, 극수는 20.0개이다.)
