전동기의 정의, 종류 및 특징

1. 전동기의 정의
전동기는 자기장 속에 도체를 놓고 전류를 흐르게 하면 그 도체에는 힘이 작용하는 원리를 이용한 것으로서 전기에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 장치이다. 일반적으로 전동기(motor)를 말한다. 전원의 종류에 따라 직류전동기와 교류전동기로 분류된다.

2. 전동기의 종류 및 특징
1) 직류전동기의 원리
자기장 중에 놓인 도체에 직류 전류를 흘리면 플레밍의 왼손법칙에 의해 도체에 전자력이 발생하여 회전하게 된다. 직류 전동기는 속도제어가 용이하기 때문에 전철, 엘리베이터, 압연기 등과 같이 속도 조정이 필요한 경우에 널리 이용된다.

2) 동기전동기의 원리
자극으로 되어 있는 회전자 주위에 자석을 회전시키면 흡인력에 의해서 회전자는 자석이 회전하는 속도와 같은 속도로 시계방향으로 회전한다.

 

자석을 회전 시키는 대신에 위의 도표처럼 3상 권선을 한 고정자의 안쪽에 회전자를 두면, 회전자는 고정자의 회전자기장의 속도와 같은 속도로 회전한다. 단, 정지하고 있는 동기 전동기는 자극이 무거워 회전자기장과 같은 속도로 회전할 수 없어, 처음 에는 회전자를 동기 속도까지 회전시켜 주는 기동 방법이 필요하다. 동기 전동기는 여자기를 필요로 하며 값이 비싸지만, 속도가 일정하고 역률 조정이 쉬워 정속도 대용량의 동력원으로 사용된다. 속도제어가 필요한 경우에는 주파수를 바꾸는 방법을 취한다.

 

3) 유도전동기 원리
1820년 D. F Arago의 원판 실험에 의하면 아래 도표와 같이 축으로 지지하고 있는 재질이 동 또는 알루미늄인 원판의 주변을 자석 M이 화살표 방향으로 급속히 움직이면 원판은 자속보다 느린 속도로 같은 방향으로 움직인다.

유도 전동기는 다음의 2가지 기본법칙을 이용한 전기기기 이다. 첫째, 전자유도의 법칙 - 도체가 자속을 끊으면 도체에 기전력이 유도되며 운동의 방향은 플레밍 오른손 법칙에 따른다. 둘째, 자계속에 있는 도체에 전류를 흘리면 플레밍 왼손법칙에 따른 방향으로 기계적인 힘이 작용한다. 유도전동기는 이러한 원리에 따른 것인데. 실제의 3상 유도전동기에서는 자석을 돌리는 대신에 고정자권선에 3상 교류를 흘렸을 때 생기는 회전자속을 이용한다.

주파수 60(Hz)의 3상 전류를 흘리면 동기속도(Ns)로 회전하는 회전자계가 생긴다. 회전자가 Ns보다 느리게 돌아야만 자속을 끊게 되어 기전력이 유기되며, 이 기전력에 의한 전류가 흘러서 전류와 자속 사이에 기계적 힘인 토오크(Torque)가 생기기 때문이다. 따라서 전동기의 속도(N)가 NS보다 어느 정도 느린가를 나타내는 비를 슬립 (slip) S라고 하며, 다음 식으로 표현 한다.

S(slip) = (Ns-N) / Ns

4) 3상 회전자계
3상 2극 유도전동기를 가정하면, 고정자는 3상의 120° 씩 떨어진 세 개의 자심 이루어진다. 이 자심에 감겨진 세 개의 코일은 Y 결선 되어 있고 3상 계통으로부터 전기 에너지를 공급받는다.

고정자권선이 3상 전원에 연결되면 세 코일의 전류는 서로 다른 시점에 최대치에 도달한다. 이들 세 전류는 서로 120° 의 전기각 만큼씩 떨어져 있기 때문에 이들 각각에 의해 생성되는 자속 역시 120° 씩 위상차를 갖게 된다.

0°에서 A상은 강한 N극이 되고 B상과 C상은 좀 더 약한 극이 되며, 60°에서 C상은 강한 s극이 되고 A상과 B상은 좀 더 약한 N극이 되며, 120°에서 B상은 강한 N극이 되고 A상과 C상은 좀 더 약한 S극이 된다.

회전자 안의 큰 화살표는 매 순간의 합성자속의 방향을 나타낸다. 합성자속벡터가 가리키는 서로 다른 방향들은 자속이 반시계 방향으로 회전하고 있다. 각각의 코일에 의해 발생되는 자속은 교번하는 자속이지만 세 개의 엇갈린 코일에 흐르는 순차적 위상의 전류에 의한 합성자속은 2극의 회전자속을 만들어낸다. 유도전동기의 동작이 일어나는 것은 교번자속이 아니라 회전자속이다.

3. 전동기 기동방법
1) 직류전동기 기동방법
직류전동기의 기동방법은 전전압기동, 감전압기동, 저항기동으로 크게 나눌 수 있으며 전전압기동은 분권:0.5kW, 직권:1.5kW까지 일반적으로 적용되며, 감전압기동 방법은 전기자 회로에 기동저항을 삽입하여 운전하므로 열손실이 커서 대형기에는 부적합하다. 저항기동은 전원전압을 가감하여 기동하는 방식으로 레오나드(Leonard)
방식 또는 직병렬제어방식 등이 있다.

2) 동기전동기 기동방법
 - 유도전동기로 기동하는 방법
동기전동기의 기동방식 중 가장 많이 사용하는 방법으로 자기기동(self starting)의 원리를 이용한 것이다. 직류여자회로를 개방한 상태로 두고, 계자권선에 기동보상기로 감전압 한 3상 전압을 가하면 회전자계가 생기고, 이 회전자계가 제동권선과 쇄교하여 제동권선이 유도전동기의 2차 도체 역할을 해 기동토크를 얻는 방식이다.

 - 3상 기동권선을 사용하는 방법
돌극형 동기전동기에서 자극에 3상 권선을 설치하고 Slip Ring을 통해 외부저항기로 접속하여 권선형 유도전동기와 같은 방법으로 기동하는 방식이다. 아래 그림에서 MC1을 투입하고 MC2를 개방한 상태에서 권선형 유도 전동기처럼 기동 후 동기속도 가까이 되었을 때 MC2를 투입하여 직류여자를 가하고 MC1을 개방한다.

3) 유도전동기 기동방법
유도전동기는 구조가 간단하고, 유지보수가 비교적 용이하여 가장 많이 사용되고 있으며, 기동방법에 따라 전전압기동(직입기동),② 감전압기동(Y-A 기동, 콘돌파 기동, 리액터 기동, 1차 저항기동), ③ 소프트 스타트 기동 등으로 분류할 수 있다.