단상 유도전동기

왜 배우는가: 단상 유도전동기는 선풍기, 세탁기, 냉장고 압축기처럼 단상 전원만 있는 곳에 가장 많이 쓰이는 소형 전동기다. 단상 전원에서는 스스로 기동하지 못하므로 기동 방식이 설계와 시공의 핵심이 된다. 그래서 시험에서는 원리와 기동법을 함께 묻는다.

출제 이력: 제133회 2교시 6번, 제109회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

단상 유도전동기는 단상 교류 전원으로 교번자속을 만들고, 기동 장치로 회전자계를 보조해 기동 토크를 얻는 소형 유도전동기다.

• 교번자속
• 2 회전자계 이론
• 기동 토크
• 보조권선
• 분상 기동
• 콘덴서 기동
• 셰이딩 코일
• 반발 기동

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 단상 전원을 연결한 전동기는 자계가 한 방향으로 도는 것이 아니라 제자리에서 세기와 방향만 번갈아 바뀐다. 그래서 회전자가 스스로 돌기 시작할 힘을 얻지 못한다. 이 차이가 단상 유도전동기를 이해하는 출발점이다.

정식 정의는 다음과 같다. 단상 유도전동기는 고정자에 단상 권선만 있고 회전자는 농형인 유도전동기다. 고정자 권선에 단상 교류를 가하면 축 방향으로 크기와 방향이 바뀌는 교번자속이 생긴다. 이 교번자속은 회전하지 않으므로 그 자체로는 회전 토크를 만들지 못한다.

이 현상을 설명하는 이론이 2 회전자계 이론이다. 교번자속은 크기가 같고 회전 방향이 반대인 두 개의 회전자계로 나눌 수 있다. 하나는 회전자 회전 방향과 같은 정회전 성분이고, 다른 하나는 반대 방향의 역회전 성분이다. 두 성분은 각각 절반 크기의 회전자계다. 회전자가 정지한 상태(슬립 s=1)에서는 두 성분이 만드는 토크가 크기는 같고 방향은 반대이므로 합이 0이 된다. 따라서 정지 시 기동 토크는 0이다.

회전자가 한쪽 방향으로 돌기 시작하면 상황이 달라진다. 회전 방향과 같은 정회전 성분의 슬립은 작아지고, 역회전 성분의 슬립은 2에 가까워진다. 정회전 토크가 역회전 토크보다 커지므로 전동기는 처음 밀린 방향으로 계속 회전한다. 즉 단상 유도전동기는 방향을 정해 주는 외부의 작은 힘만 있으면 운전을 계속할 수 있다.

직교자계 이론도 같은 결론을 준다. 회전자가 정지해 있으면 고정자 자속과 회전자 유도 자속이 나란히 정렬되어 토크가 생기지 않는다. 회전자를 인위적으로 돌리면 속도 기전력이 생겨 토크가 발생한다. 두 이론 모두 기동 시에는 회전자계를 따로 만들어 주어야 한다는 결론으로 모인다.

3. 등장 배경과 필요성

3상 유도전동기는 3상 전원을 고정자에 가하면 자체적으로 회전자계가 생긴다. 그래서 별도의 기동 장치 없이도 스스로 기동한다. 반면 가정이나 소형 상업 시설에는 3상 전원이 없고 단상 전원만 있다. 소형 기기에 3상 전동기를 쓰려면 전원 설비가 복잡해지고 비용이 커진다.

이 때문에 단상 전원으로 운전하는 단상 유도전동기가 발전했다. 구조는 3상 유도전동기와 비슷하게 농형 회전자를 쓰고, 고정자에 단상 권선만 둔다. 구조가 단순하고 가격이 낮으며 운전이 쉽다는 장점이 있다. 반면 역률과 효율이 낮고, 무부하 전류가 전부하 전류에 비해 상대적으로 크다. 소형 동력용(1Hp 이하)에 주로 쓰이는 이유가 여기에 있다.

기동 문제를 해결하려면 고정자에 위상이 다른 두 개의 권선을 두고 시간차가 있는 전류를 흘려 회전자계를 만든다. 이때 쓰이는 두 번째 권선이 보조권선(기동권선)이다. 보조권선은 기동할 때만 쓰고 회전 속도가 충분히 올라가면 원심력 스위치나 기타 장치로 회로에서 분리한다. 기동 후에는 주권선만으로 운전한다.

보조권선이 없는 방법도 있다. 셰이딩 코일은 극의 일부를 구리 고리로 감싸 자속의 위상을 늦춘다. 반발 기동은 브러시를 가진 회전자로 기동 토크를 얻는다. 이런 다양한 방법이 있으므로 단상 유도전동기 기동 방식의 종류를 정리하는 것이 중요하다. 각 기동법의 원리와 특징은 4절과 6절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

단상 유도전동기는 고정자 권선 하나만으로는 기동 토크가 없으므로, 구성요소와 원리를 함께 이해해야 한다. 고정자에는 주권선(운전 권선)과 필요 시 보조권선(기동 권선)이 있고, 회전자는 농형이 일반적이다.

표의 구성요소는 기동 방식에 따라 보조권선과 스위치의 유무가 달라진다. 셰이딩 코일형은 보조권선 대신 돌극의 일부에 감은 단락 코일을 쓴다.

2 회전자계 이론(Double revolving field theory)은 원리의 출발점이다. 단상 교번자속은 크기가 같고 방향이 반대인 두 회전자속으로 나눌 수 있다. 각 회전자속은 최대치의 1/2이다. 정회전 성분(Φf)과 역회전 성분(Φb)이 회전자에 각각 토크를 만들고, 두 토크의 차가 실제 구동 토크가 된다.

정지 상태(슬립 s=1)에서는 정회전 토크와 역회전 토크가 같아 합이 0이므로 기동 토크가 없다.

회전자가 한 방향으로 돌기 시작하면 그 방향의 슬립은 작아지고 반대 방향 슬립은 커진다. 따라서 역회전 토크가 줄고 정회전 토크가 커져 회전이 유지된다. 이 때문에 기동 방법은 회전 자계를 인위적으로 만드는 것이 핵심이다.

직교자계 이론은 같은 현상을 다른 방식으로 설명한다. 고정자 교번 자속이 회전자에 반대 방향 자속을 유도하고, 정지 시 두 자속이 나란히 정렬되어 토크가 0이 된다. 회전자를 외력으로 돌리면 속도 기전력이 생겨 토크가 발생한다.

기동 절차는 다음과 같다.

• 주권선에 단상 전압을 인가하면 교번 자속이 생긴다.
• 보조권선 또는 셰이딩 코일로 주권선 전류와 위상차를 만든다.
• 위상차로 불균형 회전 자계가 생겨 기동 토크가 발생한다.
• 회전자가 동기속도의 일정 비율에 도달하면 원심력 스위치가 보조권선을 개방한다.
• 주권선만으로 운전하며 두 회전자계의 차로 토크를 유지한다.

계산 원리는 다음과 같다. 회전자의 슬립은 s = \frac{N_s - N}{N_s} 이며, N_s는 동기속도(rpm), N은 회전자 속도(rpm)다. 정방향 회전자계에 대한 슬립은 s, 역방향 회전자계에 대한 슬립은 2 - s 로 표현된다. 정지 시 s = 1 이므로 두 슬립이 같아져 토크가 상쇄된다. 4극 60Hz 전동기의 동기속도는 N_s = \frac{120f}{p} = \frac{120 \times 60}{4} = 1800\,\text{rpm} 이다. 1700rpm 으로 회전하면 s = \frac{1800-1700}{1800} \approx 0.056 이며, 결과가 상식 범위 안이다.

5. 관련 법령·기준·표준

단상 유도전동기는 전기설비 관련 법규와 KS 규격의 적용을 받는다. 특정 조항 번호는 확실하지 않으므로 기준 이름만 쓴다. 전동기 개별 규격의 세부 수치는 제조사 사양과 KS 규격에 따른다.

전기설비 설치와 전동기 보호는 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 전동기 과부하 보호와 접지는 해당 규정의 전동기 관련 조항을 적용한다. 개정 연혁으로는 2021-01-01부터 KEC 가 시행되어 옛 전기설비기술기준의 판단기준이 대체되었다.