전동기 원리

[황상연]

전동기의 원리

1. 전동기의 원리

* Feraday의 전자유도 법칙 : 기동코일이 자계내에 위치하여 있을 때 coil에 쇄교하는 자속량이 변화하면 그것에 비례하는 기전력(전압)이 발생함.

* 가동코일을 자속 및 가동코일 방향과 직각으로 이동시키면 코일 내부에 기전력이 발생(플레밍의 우수법칙)

* 자속과 직각으로 놓여진 도체를 자속 및 도체의 방향과 직각으로 이동시키면 도테 내부에 기전력이 발생.

* 자속과 직각으로 놓여진 도체에 전류를 흘리면 도체에 힘이 발생(플레밍의 좌수법칙)

* 전동기의 회전자에는 다수의 도체가 고정자가 만드는 자극과 직각으로 배치되어 있으며, 각 도체에 힘이 작용하게 된다. 이 각 도체에 작용하는 힘이 서로 조화되어 회전자를 일정방향으로 회전시키게 되며,

이 힘 모멘트를 Torque 라 한다.

* 전동기는 발생된 Torque를 축을 통하여 외부로 출력하므로서 원동기의 역활을 수행한다.

2. 전동기의 출력이란?

전동기의 축에서 낼 수 있는 동력 즉, 출력이 어느 정도 인가를 명판에 와트(W) 또는 킬로와트(㎾)의 단위로 나타낸다.

출력은 정격전압과 정격주파수 조건 아래서 연속적으로 발생되는 출력으로 전동기가 단위 시간에 전동기가 할 수 있는 일의 량을 나타내는 것으로 전동기의 출력= 회전수 × 토크이다. 1W는 1초간에 1m줄(J) = 1〔N ` m〕 = 1/9.8(㎏f ` m)의 일을 하는 능력을 나타낸다.

1w의 전동기는 1뉴턴 (1/9㎏f)의 힘에 저항하면서 물체를 1초간에 1m의 비율로 계속 움직일 수 있는 능력이 있다.

이전에는 출력의 단위에 마력(㏋)이 사용되었는데 1㏋은 745(w)이다. 명판의 출력란에 나타낸 숫자는 그 전동기가 명판기재의 정격전압 밀 정격주파수 하에서 연속으로 운전할 수 있는 출력의 값이며, 그 이상은 낼수 없다는 최대출력의 값은 아니다. 정격출력의 상태를 전부하. 공회전 상태를 무부하, 그리고 정격출력 이상의 상태를 과부하라고 한다.

3. 정격전압 ( Rated Voltage)

정동기가 운전되도록 설계된 전압

4. 상수 및 주파수

상수 : 전동기에 가해지는 개별 전압의 수로 통상 단상, 삼상

주파수 : 정격주파수를 의미하며 통상 50㎐, 60㎐

5. 전류(Current)

1) 정격전류(Rated Load Current) : 정격주파수와 정격전압에서 정격출력 시 필요한 전류를 Ampere로 표시한 것

2) 기동전류(Inrush Current) : 기동시에 필요한 전류 또는 정격전압이 가해지고 있지만 회전자는 회전하고 있지 않는(Locked) 순간에 전동기에 흐르는 전류.

6. 기동계급(Kva Code)

마력 당 기동전류를 나타내는 알파벳코드 A에서 멀수록 마력 당 기동전류가 크다.

즉 Kva Code K보다 Kva Code L이 기동전류 값이 크다

7. 입력과 역률

전동기가 그 축에서 어떤 출력을 내면서 운전하고 있을 때는 그 기계적 에너지에 상당하는 전기적 에너지가 단자로부터 들어오고 있다. 즉 전력이 들어오는데 이것을 입력(input)라고 한다.

입력의 단위는 출력과 마찬가지로 W 또는 ㎾로 표시된다. 원래 전력은 전압과 전류의 곱이다. 직류전동기의 경우는 명판기재의 정격전압(V)과 정격전류(A)의 곱이 정격운전 시의 입력(W)이 된다. 그러나 교류전동기의 경우 입력은 이것에 역률을 곱해주어야 한다.

단상의 전동기는 Pi = V I cosØ(W)

V : 정격전압

I : 정격전류

cosØ : 정격전류 일때의 역률

삼상의 전동기는 Pi = 3 VØ IØ = √3 V I cosØ(W)

V = 정격전압. VØ = 상전압

I = 정격전류. IØ = 상전류

cosØ = 정격전류일 때의 역률

교류의 경우는 V I 또는 √3 V I 가 모두 유효전력이 되지 않고 역률을 곱한 값이 유효한 전력이 된다.

8. 효율

입력 모두가 출력으로 바뀌는 것이 아니라 입력의 일부는 전동기 내에서 손실로서 소요되고 그 나머지가 출력으로 나오게 된다.

손실은 전동기가 운전 중에 가열되는 원인이 된다.

9. 회전속도 슬립

전동기의 정격전압과 정격주파수 하에서 정격출력을 내면서 운전하고 있을 때의 매분의 회전수를 정격회전속도라고 한다.

전동기의 내부에는 몇 개의 자극이 형성되었는데 1쌍의 자극이 생기는 것을 2극, 2쌍의 자극이 생기는 것을 4극, 3쌍의 자극이 생기는 것을 6극이라 한다.

3상권선에 3상 교류를 흘리면 극수에 따라 자극이 생기고 이것이 전류의 교번과 더불어 회전한다. 이와 같이 코일이 정지하고 있고 자극만이 회전하는 것을 자장이라고 부른다. 이 회전자장은 반 싸이클마다 다음의 극으로 이동하기 때문에 자장이 회전하는 동기속도 Ns = 120f / p(rpm), f= 주파수. p= 극수이다.

유도전동기는 무부하에서는 거의 Ns와 같은 속도로 회전자가 회전하지만 부하를 걸면 회전속도가 수% 느려진다. 이것을 슬립(slip)이라 한다.

예를 들면 p = 4, f = 60dlaus 동기속도는 120 * 60 = 1800rpm인데 정격회전속도는 1720이므로

슬립 S = (1800-1720) / 1800 = 0.044. 즉 4.4%이다.