[전기기기공학] 05.유도기(5)

5.8 무부하 시험, 회전자 구속 시험 및 등가 회로 상수

유도기 등가 회로 상수 $R_{c}$, $X_{m}$, $R_{r}$, $R_{s}$, $X_{lr}$, $X_{s}$는 무부하 시험, 회전자 구속 시험(blocked-rotor test)의 결과, 고정자 권선의 직류 저항을 측정함으로써 결정할 수 있다.

 

측정 방식은 변압기 원리와 유사하다. 무부하 시험은 변압기의 개방 회로 시험(open-circuit test)와 비슷하며, 여자 전류와 회전 손실에 대한 정보(철손 저항 및 자화 인덕턴스)를 제공한다.

 

반면, 회전자 구속 시험은 변압기의 단락 회로 시험(short-circuit test)와 비슷하며 누설 임피던스에 대한 정보를 제공한다.

유도 전동기의 등가 회로

 

 

회전자 구속 시험의 경우, 회전자 회로의 정수들을 구하는 것이기 때문에 실제 운전 상황에서 동작하는 회전자 주파수에 가까운 주파수에서 측정해야한다. IEEE에서는 회전자 구속 시험 시 정격 주파수의 25% 주파수(약 15Hz)에서 시험하는 것을 권장한다. 이는 회전자 저항에 대한 값을 정확하게 측정하기 위함이다. (리액턴스 성분은 주파수 비례해서 계산 반영하면 됨)

 

* 그럼 DC 흘려서 측정하는게 더 정확하지 않나?라고 생각할 수 있다. DC 성분을 흘릴 경우 자성체에 자계가 인가되어 포화될 수 있기때문에 DC를 흘리진 않는다. (교류를 흘리면 주기적으로 빠진다)

 

5.11 회전자 저항의 효과

 

농형 전동기는 전부하가 가해진 경우 슬립과 전류가 작고 역률과 효율이 크다. 그러나 기동 시에는 토크와 역률이 작고 기동 전류가 크다. 해서, 높은 부하를 요구할 경우 유도 전동기는 기동 후 천천히 속도가 증가하는데 이때 전류가 많이 흐르다 보니 동손이 크게 발생하고 전동기에 열이 발생하는 문제가 나타난다. 온도가 높아지면 자성체나 구리의 전기적/자기적 부피 특성도 변하고 열화되는 과정에서 절연 처리된 물질이 녹을 수도 있기 때문에 일정 이상 온도에 도달하지 않기 위한 설계가 필요하다.

 

특히, 회전자 측에 존재하는 회전자 저항이 크게 영향을 미치며, 일반적으로 부하 운전 중에는 회전자 저항을 줄여서 슬립을 줄이고 효율을 높인다. 그러나 기동시 기동 토크와 역률을 크게하면서 기동 전류도 줄이기 위해서는 회전자 저항이 오히려 커야 한다. (과도 상태에서 과전류 흐르는 것을 방지하는 것과 비슷하다.) 그렇다면, 회전자 저항이 커졌다 줄어들었다 해야하는 건데 이걸 어떻게 할 수 있는가? 이는 유도기 회전자 종류에 따라 그 전략이 존재한다.

 

권선형 회전자 : 슬립링을 통해 회전자 권선에 외부 저항 연결이 가능하기 때문에 외부 저항 값을 가변하면서 회전자 저항 특성을 얻을 수 있다. 그러나 비효율적이고 비용이 비싸다는 단점이 있다.

 

권선형 회전자 외부에 저항이 연결되고 그 값이 변화하면서 최대 토크를 유지할 수 있음.

 

농형 회전자 : 농형 회전자는 외부에서 저항 연결을 해줄 수 없기 때문에 회전자 권선의 유효 저항이 운전 속도에 따라 가변될 수 있도록 제작하는 방법을 선택했다. 도체의 저항은 DC성분과 AC성분으로 구분되며, 주파수 동작 특성에 따라 AC 저항은 가변된다. 

유도 전동기에서 회전자 권선의 동작 주파수는 기동 시 크고, 전부하 도달 시 주파수가 작아지는 원리를 활용해서 저항 성분을 가변한다. 그러나 기존 일반형 회전자는 그 효과가 크지 않기 때문에 새로운 디자인의 회전자 도체를 만들게 되었다.

심구(Deeb-bar)형 회전자, 2중 농형 회전자 등을 적용하였는데, 이는 표피 효과의 특성을 최대한 활용하기 위해 자성체의 외부에 누설 성분을 많이 갖도록 제작했다.

 

이는 표피 효과의 특성상 전류가 중심에서 외부 측면으로 흐르게 되면서 유효 단면적이 작게 보이는 현상을 활용한 것인데, 기동 시 주파수가 크기 때문에 중심보다는 가장자리에 전류가 흐르게 되고, 이 때 전류가 흐르는 쪽에 누설 리액턴스를 크게 만들어서 기동 전류를 줄이는 방식이다. 반면, 전부하 상태로 도달하게 되면 주파수가 1~3 Hz 수준으로 낮아지면서 중심부에 흐르는 전류가 크게 증가하게 된다. 이러면 유효 단면적이 증가하면서 중심부는 낮은 저항 성분을 갖는 재질을 채택하기 때문에 회전자 저항이 감소하는 효과를 얻을 수 있다.

 

5.13 속도 제어

 

유도 전동기에 일정 전압, 일정 주파수 전원이 공급되면 유도 전동기는 일정 속도로 구동되는 전동기가 된다. 따라서 유도 전동기는 일정 속도 구동 시스템에 이용하는 것이 적당하다. 그러나 산업 응용 분야에서는 몇 스텝의 속도 제어, 또는 연속적인 가변속 제어를 요구한다. 직류 전동기로 위 제어가 가능하지만 직류기는 제작비가 비싸고 시간이 지날수록 정류자와 브러시가 마모되기 때문에 자주 교환해줘야 한다. 또 회전하면서 연결되는 과정에서 스파크가 발생해 위험성을 안고 있다. 반면 농형 유도 전동기는 가격이 싸고, 동작 과정에서 고정자와 회전자의 물리적 접촉을 요구하지 않기 때문에 마모되거나 스파크 문제도 없다. 해서, 외부에서 반도체 제어기를 적용하여 농형 유도 전동기를 가변속 구동장치에 활용하는 방법을 사용하고 있다.

 

주요 제어 방법은 여러 가지가 있으나 나열만 하도록 하겠다.

- 극수 변환 : 코일 결선 변경을 통해 2:1로 속도 변화, 단, 2:1 비율 변화만 가능 (일반속도, 2배속도)

 

- 상전압 제어 : 토크는 고정자 전압의 제곱이 비례하는 것을 이용하여 속도 제어, 그러나 제곱 비례다 보니 원하는 출력 토크 얻기 위한 제어가 어렵고 변동 가능 범위가 크지 않다는 단점

 

- 주파수 제어 : 동기 속도와 전동기 속도는 전원 주파수를 변화시킴으로써 바꿀 수 있다. 해당 제어를 위해서, 주파수 변환기 필요함

일반적으로 3상 전원을 정류기를 통해 직류로 변환한 후, 3상 인버터로 주파수 변환하는 방식이 있음.

그러나 자성체의 포화를 막기 위해서 전동기 단자 전압을 주파수에 비례하여 변화시켜야 함.

 

3상 전원을 정류기로 정류, DC link 커패시터로 리플 저감, 이후 인버터 제어로 유도기가 원하는 주파수 성분으로 제어 가능함.

 

자속 밀도는 $frac {V}{f}$로 비례하므로 일정 자속 밀도 유지하기 위해선 주파수 성분이 커질 시, 전압 성분도 증가해야 한다. 그러나 정류기로 정류한 dc 전압 최대 크기가 한계가 있기 때문에 일정 이상 주파수 성분이 증가하면 전압이 증가할 수 없으므로 공극 자속이 감소하며, 최대 토크도 감소한다. 이는 직류기에서 이용되는 약계자 제어와 비슷하다.

 

- 일정 슬립, 주파수 동작 : 유도 전동기를 효과적으로 운전하기 위해서 고정 또는 제어 슬립 주파수로서 운전하는 것이 바람직하다.

 

- 폐루프 제어 : 전력변환부를 제어함으로써 전압 또는 주파수 성분을 제어한다.

 

- 회전자 저항 제어 : 외부 저항을 연결해서 제어하는 방식, 효율이 안 좋아서 짧은 기간에만 이용

 

 

위 제어들 중 일부 제어 기법은 생략된 내용들이 있는데, 잘 안 다루다보니 간략하게 하고 넘어감.