인덕션 모터란?
인덕션 모터는 교류로 작동하는 모터로 전자기 유도에 의해 발생하는 힘을 동력으로 회전하는 모터입니다.
따라서 교류를 의미하는 AC를 붙여 AC 모터라고도 합니다. 인덕션 모터는 가장 역사가 오래된 모터 중 하나로, 간단한 구조로 특별한 전력 변환을 하지 않고 교류 전원에 연결하기만 하면 작동합니다.
따라서 높은 신뢰성과 긴 수명을 겸비하여 현재까지도 널리 사용되고 있는 모터입니다. 또한, 희소금속을 포함한 자석을 사용하지 않기 때문에 저비용으로 고효율 회전을 할 수 있다는 것도 장점 중 하나입니다.
인덕션 모터의 사용 용도
인덕션 모터는 용량이 커질수록 효율이 높아지는 특성 때문에 세탁기, 선풍기 등 가전제품부터 공장 설비의 대형 생산 설비까지 폭넓게 사용되고 있습니다.
또한, 모터의 특성을 변화시켜 자동문과 같이 큰 기동 토크를 필요로 하는 것의 동력원으로 활용되거나, 슈레더와 같이 높은 정지 토크를 필요로 하는 것의 동력원으로 활용되기도 합니다.
인덕션 모터의 원리
그림 1. 인덕션 모터의 원리
인덕션 모터는 교류 전류의 차이에 따라 크게 삼상 모터와 단상 모터로 나뉩니다.
1. 삼상 모터
인덕션 모터는 고정자라고 불리는 ‘고정자’와 회전자 ‘회전자’로 구성되어 있습니다. 고정자에는 삼상 교류를 흘리는 코일 권선이 있고, 회전자에는 회전 자기장으로부터 전자기 유도에 의한 전류를 흘리는 바구니형 배선이 내장되어 있어, 고정자에 삼상 교류를 흘리면 회전 자기장이 발생합니다.
이 자기장이 도체인 로터 내에 내장된 바구니형 배선을 통과할 때, 전자기 유도에 따른 전압이 발생합니다. 이로 인해 바구니형 배선에 전류가 흐르고, 고정자의 회전 자기장이 상호 작용하여 토크를 얻는 구조입니다. 로터의 회전은 고정자가 발생시키는 회전 자기장 속도에 점근적으로 접근하지만 결코 같지 않습니다.
이때 로터와 고정자의 회전 자기장 속도의 비율을 ‘슬립’이라고 하며, 인덕션 모터의 토크 특성을 결정짓는 큰 요소 중 하나입니다.
2. 단상 모터
단상 교류로 모터를 회전시키기 위해서는 회전 자기장을 발생시켜야 합니다. 그래서 커패시터를 모터의 보조 권선에 내장하여 주 권선은 전원에 직접 연결하고, 보조 권선은 커패시터를 통해 전원을 연결하여 회전 자기장을 발생시킵니다.
단상 교류를 주권선, 커패시터를 통해 보조 권선에 연결하면 보조 권선의 전류는 주권선의 전류에 비해 90° 정도 앞선 전류가 흐르게 됩니다. 이 두 전류가 90°씩 어긋나면서 회전 자기장을 만들어 모터는 회전력을 얻을 수 있습니다.
인덕션 모터의 기타 정보
1. 인덕션 모터의 회전수
인덕션 모터의 정격 회전 속도는 다음과 같은 공식으로 구할 수 있습니다.
N(rpm) = 120 / p(극수) × f(Hz)
이때 p는 모터의 극수, f는 전원 주파수입니다. 극수가 적을수록 모터의 회전 속도는 빨라지고, 전원 주파수가 높을수록 회전 속도도 빨라집니다. 일본의 상용전원은 서일본은 60Hz, 동일본은 50Hz로 정해져 있기 때문에 상용전원으로 모터를 구동하려고 하면 극수에 따른 정격 회전속도가 됩니다.
또한, 인덕션 모터에는 미끄러짐이 존재하며, 부하 토크에 따라 회전 속도가 조금씩 작아지는데, 실제 회전수는 미끄러짐을 s라고 하면 다음과 같습니다.
N(1-s) (rpm)
2. 인덕션 모터의 속도 제어
그림 2. 인덕션 모터의 속도 제어
인덕션 모터의 정격 회전수는 앞서 설명한 바와 같이 전원 주파수와 극 수에 따라 결정됩니다. 그러나 모터의 종류와 전원에 따라 회전 속도를 변경할 수 있습니다. 인덕션 모터의 속도 제어는 다음과 같은 방법으로 수행됩니다.
극 변경 모터 사용
폴 체인지란 결선 방식에 따라 극 수를 결정할 수 있는 모터를 말합니다. 모터 자체가 대형화되어 범용성이 떨어진다는 단점이 있습니다. 또한, 극수에 따라 단계적으로만 회전속도를 변화시킬 수 있다는 단점이 있습니다.
권선형 모터의 저항 제어
권선형 인덕션 모터를 사용하면 속도 제어가 가능합니다. 원리는 로터의 배선을 바구니형 배선이 아닌 코일 권선으로 만든 모터로, 그 권선(2차 권선)에 저항을 통해 전류를 흐르게 함으로써 미끄러짐이 커져 속도를 정격보다 더 느리게 할 수 있습니다. 다만, 저항기가 필요하다는 단점이 있습니다.
또한, 회전하는 로터 권선에 전류를 흘려주기 위한 슬립링이 별도로 필요하기 때문에 부품 수가 증가하고 유지보수 비용도 증가하게 됩니다. 저항에서 열이 발생하기 때문에 에너지 손실도 큽니다.
유체 조인트에 의한 회전 속도 제어
유압을 통해 구동축과 피동축을 연결하는 유체 조인트는 시동 시 등 부드러운 가속을 얻을 수 있습니다.
유체를 통해 구동축과 종동축을 연결하기 때문에 부하 변동이 클 경우 유체 조인트가 그 변동을 흡수합니다. 다만, 구동축과 피동축을 리지드로 연결하지 않기 때문에 오일이 교반되어 오일이 승온되어 손실이 발생한다는 단점이 있습니다.
인버터에 의한 회전 속도 제어
그림 3. 인버터에 의한 회전 속도 제어
현재 인덕션 모터의 속도 제어는 인버터를 사용하는 것이 일반적입니다. 고정 전압, 고정 주파수인 3상 교류 전원을 IGBT 등의 전력 소자를 이용한 3상 브리지를 스위칭하여 제어함으로써 모터의 회전속도를 변화시킨다. 주파수와 함께 전압을 변화시킴으로써 토크를 일정하게 구동할 수 있습니다.
에너지 손실도 반도체 기술 및 제어기술의 향상으로 구동 에너지의 몇 %로 매우 우수하여, SDGs가 화두가 되고 있는 현재 인덕션 모터의 회전속도 제어로 가장 널리 사용되고 있습니다.