유도전동기 원리 및 활용
1. 모터 개요
산업 현장에서 필수적으로 사용되는 모터. 모터는 왜 사용하는 것일까요?
모터는 전기에너지를 기계적인 에너지, 즉 토크를 얻는데 가장 편리한 수단입니다. 산업현장에서는 모터 중 3상 유도 모터의 사용빈도가 가장 높으며, 3상 유도 모터는 직류기에서 볼 수 있는 브러쉬 등의 기계요소가 없어서 유지관리하기 쉽고 기계적으로도 안정하며 신뢰성이 높습니다. 별도의 기동장치 없이 기동할 수 있는 것도 장점입니다.
본질적으로 세계, 그리고 국내 어디든 3상 교류계통의 전력망을 사용하기 때문에 3상 유도 모터를 사용하는 것이 가장 쉽게 전기에너지를 사용해 큰 기계에너지를 얻을 수 있는 방법입니다.
2. 모터의 원리(3상 유도전동기 기준)
취업 전공 면접의 단골손님이라고 할 수 있는 3상 유도전동기 원리입니다.
유도전동기는 외측의 고정자 코일에 공급하는 교류 전원으로 발생하는 회전자계 또는 이동 자계에 의해 내측의 회전자가 회전하는 형식입니다. 고정자 코일에 공급하는 교류는 단상과 3상이 있으며, 회전자의 구조 등에 의한 다양한 종류의 교류 모터가 있습니다. 금번 글에서는 가장 대중적으로 사용되는 3상 유도전동기의 원리를 간략하게 설명하겠습니다.
[그림1] 기본모델을 살펴보겠습니다. 모터를 정면에서 바라본 관점입니다. a위치에 코일을 넣고 a'위치로 나오게 배치합니다. b위치에 코일을 넣고 b'위치에 코일을 나오게 배치합니다. c위치에 코일을 넣고 c'위치로 코일을 나오게 배치합니다. 그리고 aa'에 a상, bb'에 b상, cc'에 c상을 결선합니다. 아직 전류는 흐르지 않습니다. 단순히 코일을 배치하는 방향이라고 생각하면 됩니다. 이해를 쉽게하기 위해 코일의 배치를 물리적으로 120도 차이가 나게 배치하여 3상의 위상차와 동일하게 하겠습니다.
자 이제 [그림2]를 살펴보겠습니다. 120°의 간격으로 설치된 3조의 코일에 평형 3상 교류를 흐르게 하면 각 코일에는 오른나사의 법칙에 의해 자계가 발생하고 그것을 자계적으로 합치면 시간과 함께 회전 하는 자계가 됩니다. [그림 2]에서는 3상 회전자계의 파란색 화살표 시점, 즉 π/3 시점을 살펴봅니다. a상은 +, b상도 +, c상은 - 시점입니다. 따라서 전류의 흐름은 a로 들어가고 a'로 나오며, b로 들어가고 b'로 나옵니다. c는 최초 코일을 배치한 방향과 다르게 -시점이기 때문에 c로 나오고 c'로 들어갑니다.
이로써 a, c', b 위치에서 전류가 들어가고, b', c, a' 위치에서 전류가 나옵니다. 앙페르 오른손 법칙을 이용해 전류의 방향대로 손을 말아쥐면 [그림2]와 같이 자계의 흐름을 예상해 볼 수 있습니다. 자계축이 a와 b'사이로 약간 기울어져 있습니다.
[그림3]를 살펴보겠습니다. [그림 3]에서는 3상 회전자계의 파란색 화살표 시점, 즉 π/3 시점을 살펴봅니다. a상은 -, b상 +, c상은 - 시점입니다. 따라서 전류의 흐름은 a로 나오고 a'로 들어가며, b로 들어가고 b'로 나오며, c로 나오고 c'로 들어갑니다.
이로서 c', b, a' 위치에서 전류가 들어가고, c, b', a 위치에서 전류가 나옵니다. 앙페르 오른손 법칙을 이용해 전류의 방향대로 손을 말아쥐면 [그림3]와 같이 자계의 흐름을 예상해 볼 수 있습니다. 자계축이 약간 회전해서 a와 c'사이로 위치가 변경되었습니다.
[그림4]를 살펴보겠습니다. [그림 4]에서는 3상 회전자계의 파란색 화살표 시점, 즉 π 시점을 살펴봅니다. a상만 - 시점입니다. 따라서 전류의 흐름은 a로 나오고 a'로 들어가며, b로 들어가고 b'로 나오며, c로 들어가고 c'로 나옵니다.
이로서 b, a', c 위치에서 전류가 들어가고, b', a, c' 위치에서 전류가 나옵니다. 앙페르 오른손 법칙을 이용해 전류의 방향대로 손을 말아쥐면 [그림4]와 같이 자계의 흐름을 예상해 볼 수 있습니다. 자계축이 또 회전해서 c'와 b 사이로 위치가 변경되었습니다.
[그림2], [그림3], [그림4]의 예시로 볼 때 3상 교류전원 즉, 3상 회전자계가 발생하면 자계가 회전하게 됩니다. 따라서 힘의 방향도 시간에 따라 변하며 회전할 수 있게 됩니다. 즉, 플레밍의 왼손 법칙을 적용하여 자기장과 전류의 결과로 힘이 발생합니다. 이 힘은 물리적인 회전력(토크)을 만들게 됩니다.
위의 예시는 2극(N,S가 각 1개 자석처럼 있는 형태)이며 권선을 중간중간 더 배치하면 4극 6극으로도 모터를 제작할 수 있습니다. 현장에서는 많은 형식의 모터가 있지만 4극 모터를 많이 쓰며 4극이기 때문에 국내 주파수 60Hz 기준 1,800rpm에서 슬립만큼 조금 회전수가 덜 되는 사양입니다.
3. 모터의 활용
모터는 궁극적으로 회전력을 이용하기 위해 활용합니다. 이 회전력을 이용해 공조용 송풍기 및 펌프 동력용으로 많이 사용합니다. 현장별로 이 모터에 기어를 붙이는 것을 기어드모터라고 통칭하게 되는데 이 기어드모터를 이용해 회전속도를 줄이고 힘을 더 증가시켜 운반설비의 구동부, 호이스트 장치의 권상부 혹은 교반기 등으로 사용하기도 합니다.
저의 경우 실무를 하면서 3상 유도전동기 기준으로는 대부분이 효성중공업, 현대일렉트릭 제품을 사용하였습니다. 모터 메이커 및 사양마다 모터 Base에서(Foot) 샤프트 중심점까지의 높이, 단자대 위치, 프레임 크기 등이 다르기 때문에 교체 및 유지관리 시에도 각 메이커의 카달로그 등을 잘 살펴봐야 합니다. 예를 들어 모터Base에서 샤프트 중심점까지 높이가 다를 경우 교체 시에는 펌프와 조립을 할 수 없습니다.
그렇기에 시설보전공무 관리자분들은 적용 개소마다 꼼꼼히 확인하여 대체 Part 재고를 가지고 있어야 합니다. 급할 때 교체해야 하는데 프레임이 다르다?? 아찔한 경우가 있을 수 있습니다.
이상 긴 글을 마칩니다. 학습에 도움되시길 바랍니다.