교류 직류 모터의 작동원리

[BSHC]

교류모터의 작동원리

역위상인 두 벡터량의 합성은 언제나 두 벡터량의 차이가 된다.
P=E·I는 전압과 전류가 동위상일 경우의 전력 공식이다. 때에 따라서는 전압과 전류가 동위상이 아닐 경우가 있는데 이러한 때에는 P=EI로 전력을 계산하면 맞지 않는다.
<아무리 정신력이 좋고 강한 육체의 소유자일지라도 정신을 팔고 일을 하면 능률이 나지 않는다. 즉 정신과 육체가 일치(동위상)하지 않을 때는 일이 되지 않는 것과 같다>

E와 I가 θ만큼의 위상차가 있다고 할 때 전력을 구하려면 E와 I가 동위상이 아니므로 ⒝와 같이 우선 전압 E가 I와 동위상으로 작용하는 크기의 전압 e를 구한 다음 e를 전류 I와 곱해야 한다. 여기에서 E는 V와 e의 합성과 같으므로 E가 I와 동위상으로 작용하는 전압의 크기는 e가 되고 V는 I 방향과는 90°위상차가 있으므로 전혀 전력으로 작용하지 않는 무효 전압이다.따라서 전력은 P=e·I가 된다.

그런데 수학의 3각 함수를 이용하면 전류와 동위상으로 작용하는 전압은 e=E·cosθ로서 구해지므로 이것을 전력 공식에 대입하면 P=eI=(E·cosθ)·I=E·I·cosθ ∴P=E·I cosθ가 된다. 이것이 언제나 사용하는 전력 공식이다.


갑이 동쪽으로 끌고 있는데 을이 동북쪽으로 끌고 있다면 갑이 끄는 방향에 을이 도와주는 힘(동위상으로 작용하는 힘)은 을에서 갑의 방향에 수직선을 그어 만나는 점과 원점을 연결한 선 丙의 크기에 해당한다.

왜냐하면 을의 힘은 평행사변형의 법칙에 의하면 병과 정의 합성과 같은데 병은 갑과 같은 방향이므로 갑을 도와주는 힘으로 작용하나 정은 갑의 방향에 대해서는 직각으로서 전혀 도와주지 않는 힘으로 작용하기 때문이다. 또 앞에서 cosθ(코사인 씨타)가 나왔었는데 cosθ는 직각 삼각형에서 각 θ에 대한 빗변 c와 밑변 a와의 길이의 비를 나타내는 것이다. 즉 cosθ=c/a를 말하는 것이다. 따라서 c×cosθ=a이므로 빗변의 길이 c와 cosθ(길이의 비)를 알면 a=c·cosθ로서 밑변의 길이를 구할 수 있는 것이다.

E를 알고 e를 구하므로 e=E·cosθ를 이용한 것이다.
전력 공식 P=E·I·cosθ에서 E·I를 피상전력이라 하고 cosθ를 역률이라고 한다. 피상전력이 아무리 크다 하여도 cosθ가 0일 때는 전력은 0인 것이다.

뒤에서 설명될 콘덴서나 코일에 교류 전류가 흐를 때는 전압과 전류가 90°위상차가 생기므로 cosθ=cos 90˚=0이 되어 P=E·I·cosθ=0이 되기 때문에 콘덴서나 코일에서는 전력 소비가 전혀 없는 것이다.


앞서 설명한 바 있는 삼상 교류는 공장이나 큰 전력을 소비하는 곳에 보내어지고 있는데 이것은 간단히 회전 자계를 얻어 동력을 얻기가 용이하기 때문이다.
다음에는 지금까지 설명한 상식을 토대로 하여 모터의 동작 원리를 생각하여 보기로 하겠다.

[3상 교류 모터의 동작 원리]
축에 자석을 고정시켜서 자유로히 회전할 수 있도록 하고 N극을 점선 방향으로 회전시키면 축에 붙어 있는 자석의 S극이 밖에서 회전하고 있는 N극에 흡인되어 N극을 따라서 회전하기 때문에 축도 따라서 회전하게 되는 것이다. 교류를 이용한 유도 모터는 모두 이와 같은 원리로 회전하는 것이다.

여기에서 문제가 되는 것은 어떠한 방법으로 회전자계( N극이 도는 것과 같은 효과)를 얻느냐 하는 것이다. 그런데 3상 교류에서는 이와 같은 회전 자계를 극히 간단하면서도 자연스럽게 얻을 수 있다. 모터의 각 전자석에 가 공급될 때 N극이 되도록 코일을 감아놓았다면 N1, N2, N3의 순서로 전자석이 차례로 되기 때문에 회전 자계가 되는 것이다. 여기에서 a, b, c의 3선 가운데 임의의 두 선을 서로 바꾸면 회전 자계의 방향이 바뀌어 모터의 회전 방향도 바뀌어진다.

실제의 교류 발전기는 축에 부착되어 회전하는 자석이 영구 자석으로 되어 있지 않고 전자석으로 되어 있는데 여기의 전자석은 철심에 코일을 감고 쇼트(합선)시켜 놓은 것이다.
따라서 회전 자계가 있을 때에는 회전 자계가 철심에 감긴 코일에 쇄교되어 그 코일에 기전력이 발생하고 이 때 발생된 기전력에 의하여 코일이 쇼트되어 있으므로 많은 전류가 흐르며 강한 전자석이 되는 것이다.

[단상 교류 모터의 동작 원리]
다음에는 가정에 들어오는 단상 교류를 이용한 모터의 동작 원리를 생각하여 보겠다.
두 개의 자극에 단상 교류를 공급하면 N1, S1의 자극이 되었다가 다음 번에는 S1, N1의 자극으로 바뀌어 질 뿐 회전 자계가 되지 않기 때문에 축에 부착되어 있는 자석은 회전할 수가 없다.

따라서 단상 교류 모터는 회전 자계를 얻기 위하여 또 다른 자극을 마련하고 전류의 위상이 빠르거나 늦어지도록 콘덴서나 코일을 통하여 전류를 공급해준다(콘덴서를 통과한 전류는 전압보다 전류 위상이 90°빨라지고 코일을 통과한 전류는 전압보다 90°늦어진다).

이 때 a단자가 +일 때는 즉시 m1의 자석이 N극이 되고 m2는 잠시 후에 N극이 된다(위상이 늦은 전류가 흐르기 때문임). 다음 b단자가 +로 되면 즉시 m3가 N극이 되고 잠시 후에 m4가 N극이 된다(m4에 흐르는 전류도 전류 위상을 늦게 하는 코일을 통하여 전류가 흐르기 때문임).

이상과 같이 전자석은 N1, N2, N3, N4의 순서로 질서있게 순서대로 N극이 되기 때문에 마치 N극이 도는 것과 같은 회전 자계가 되는 것이다. 이와 같은 회전 자계가 생기면 회전자는 앞서 설명한 바와 같이 자연히 전자석이 되어 회전하게 된다. 여기에서 코일 대신 콘덴서를 이용하면 회전 방향이 바뀌어 진다. 선풍기에 사용하는 모터(전동기)는 모두 위와 같은 원리로 회전한다.

다음에는 일반적으로 많이 보급되고 있는 교류용 전축 모터의 동작 원리를 생각해 보겠다.
전축 모터 역시 위에서 설명한 것과 같은 원리로서 동작하나 구조가 약간 다르다.D서 코일은 AC100V에 의하여 많은 자력선을 만들기 위한 것인데 코일에 감긴 회수가 많아질수록 회전수가 낮아진다. (코일의 회수가 많아지면 코일의 저항이 커져서 전류가 적어지고 그에 따라서 자력이 적게 나오기 때문임)

또 철심에 한바퀴 내지 두바퀴 정도로 굵은 동선이 감겨져 쇼트된 것은 단락 코일 또는 세이딩 코일(shading coil)이라고 하는데 이것은 자력선이 약간 늦게 나오도록 하는 역할을 하고 있다. 그리고 회전자의 외관의 구성은 철심에 굵은 동선이 끼워져 있으며 쇼트되어 있다.

철심에 자력선이 공급되면 N1은 즉시 나타나겠으나 단락 코일이 있는 쪽은 코일에 전기가 발생하여 흐르면서 공급 자력선을 방해(반대 방향으로 자력선이 나오는 것은 렌츠의 법칙에서 설명한 바 있음)하는 자력선을 발생시키므로 상쇄되어 자극으로서 작용하지 않는다. 그러나 공급 자력선이 없어질 때는 반대 방향의 자력선을 발생시키므로 그때서야 N2극으로 작용하게 된다.

따라서 단락 코일이 있는 쪽의 자극이 없는 쪽보다 항상 늦게 자력선이 나타나기 때문에 단락 코일이 있는 쪽으로 회전자가 돌게 된다(단락 코일에 의해서 회전 방향이 결정됨).
그러면 전체적으로 회전 자계가 어떻게 형성되는가를 생각해 본다. a단자에 +가 공급되는 순간은 N1이 발생하고 +가 감소될 때는 N2가 발생된다. 반대로 b단자측이 +가 되는 순간은 N3가 발생하고 +가 감소되면 N4가 발생된다. 따라서 N1, N2, N3, N4가 순서대로 질서있게 발생되기 때문에 회전 자계가 되는 것이다.

한편 회전자는 여러장의 철판에 굵은 구리선이 관통하고 전기적으로 쇼트되어 있으므로 회전 자계에 의해서 기전력이 발생하여 전류가 흐르면 여러개의 전자석으로 작용하게 되며 회전 자계를 따라 회전하게 된다.

이상 설명한 것과 같은 유도 모터는 회전자가 돌지 않을 때 전기를 계속 공급하면 회전자에서 나오는 자력선이 코일에 유기시키는 역방향 전압이 적게 발생하기 때문에 전류가 많이 흘러서 코일이 타버린다.

[직류 모터의 동작 원리]
NS의 고정 자극 사이에 자유로 회전할 수 있도록 축에 자석을 부착시켜 두면 흡인 반발력에 의해서 시계 방향으로 회전하여 ⒝와 같은 상태로 되려고 한다. 그러나 관성에 의해서 ⒞와 같이 자석들이 일직선이 되는 위치에서 약간 벗어날 무렵 회전자의 자극이 바뀌어진다면 흡인 반발력에 의해서 시계 방향으로 다시 돌게 된다.

이와 같이 회전자가 계속 회전할 수 있게 하려면 180°회전할 때마다 자동적으로 회전자의 자극이 바뀌어지도록 회전자의 자석을 전자석으로 하고 축이 회전함에 따라서 전류의 방향이 바꾸어지도록 하면 된다.