유도전동기 정리와 기출문제

정답 ①

선풍기나 소형 환풍기처럼 가볍고 작은 모터는 굳이 힘차게 돌아갈 필요가 없죠. 셰이딩 코일형(코일 일부를 구리링으로 가려서 회전력을 만드는 방식)은 바로 그런 저렴하고 간단한 구조의 모터입니다.

단상 유도 전동기는 저 혼자서는 회전을 시작할 수 없어서, 기동 토크(처음 돌아가기 시작하는 힘)를 만들 방법이 여러 가지 있습니다.

그 힘의 크기 순서는 외워야 합니다:

반발 기동형 > 콘덴서 기동형 > 분상 기동형 > 셰이딩 코일형

즉 가장 앞쪽(반발)이 힘이 세고, 가장 뒤쪽(셰이딩)이 가장 약합니다.

구조가 간단하고 싸면 성능(기동 토크)은 가장 나쁘다는 공식이 성립하죠.

이런 문제가 나오면 → '반발 > 콘덴서 > 분상 > 셰이딩' 순서를 떠올려 가장 뒤에 있는 셰이딩 코일형을 고르면 됩니다.

근거 : 정답 근거: 단상 유도전동기의 기동토크는 반발 기동형이 가장 크고 그 뒤로 반발유도형, 콘덴서 기동형, 분상 기동형 순이며 셰이딩 코일형이 가장 작다.

정답 ③

달리는 사람이 앞사람을 따라가지만 조금 뒤처지듯이, 유도 전동기의 회전자(도는 부분)는 동기속도(이론상 최대 속도)보다 약간 느리게 돌아요. 그 뒤처지는 비율이 슬립입니다.

먼저 동기속도를 구해요. 말로 하면 '주파수 곱하기 120을 극수로 나눈다'입니다.

$N_s=\frac{120\times60}{4}=1800$rpm

슬립이 3%니까, 실제 속도는 동기속도의 97%예요.

$N=1800\times(1-0.03)=1800\times0.97=1746$rpm

이런 문제가 나오면 → '동기속도 구하고 (1-슬립) 곱하기' 순서로 풀면 된다.

근거 : 핵심 공식: $N=N_s(1-s)$. 암기팁: '슬립은 동기속도에서 뒤처지는 비율'로, 실제 회전수는 항상 동기속도보다 약간 느리다는 점을 기억한다.

정답 ①

선풍기를 뒤집어도 뒤로 바람이 안 나오는 것, 봤죠? 그건 회전 방향이 아예 고정된 전동기(전기를 돌리는 힘을 만드는 기계)가 돌아가기 때문이에요.

이 문제의 힌트를 하나씩 보면:

① 회전 방향을 바꿀 수 없다

② 구조가 극히 단순하다

③ 기동 토크(처음 돌아가는 힘)가 매우 작다

④ 0.05마력 이하의 아주 작은 선풍기에 쓴다

이 네 가지를 다 만족하는 건 셰이딩 코일형 유도 전동기뿐이에요.

셰이딩 코일이란 철심에 두른 짧은 동선(구리선)인데, 이게 있으면 전동기가 한 방향으로만 돌게 됩니다. 그래서 방향을 바꿀 수 없고, 힘도 약해서 아주 작은 선풍기 정도에만 씁니다.

나머지 ②③④는 콘덴서(축전기)나 보조 코일로 힘을 더 주는 방식이라 기동 토크가 크고, 출력도 커요.

이런 문제가 나오면 → '기동 토크 최소 + 구조 최단순 + 소형 선풍기 = 셰이딩 코일형'으로 바로 답하기!

근거 : 정답 근거: 셰이딩 코일형 유도전동기는 회전 방향을 바꿀 수 없는 고정 회전 구조이며, 구조가 극히 간단하고 저렴하지만 기동토크가 매우 작아 0.05마력 이하의 초소형 선풍기 등에 사용된다.

정답 ④

자전거를 타고 가다가 앞으로 가던 힘과 반대로 힘을 주면 급하게 멈추듯이, 모터도 회전 방향과 반대 방향의 힘을 주면 급정지할 수 있어요.

역상제동(플러깅): 전동기에 연결된 전원 3개 선 중 2개의 순서를 바꿔서 회전 자계(모터를 돌리는 보이지 않는 힘)의 방향을 반대로 만드는 방법이에요.

그러면 모터는 계속 돌고 싶은데 반대 힘이 세게 작용해서 아주 빠르게 멈춥니다.

다른 방식들:

• 회생제동: 전기를 전원에 되돌려주는 브레이크 (완만함)

• 발전제동: 운동 에너지를 열로 바꿔서 서서히 멈춤

즉 '급속 정지'라고 하면 제동력이 가장 센 역상제동!

⚠️ 주의: 완전히 멈추면 전원을 꼭 끊어야 해요. 안 끊으면 반대로 돌기 시작하거든요.

이런 문제가 나오면 → '급속 정지, 플러깅' 키워드가 보이면 무조건 역상제동!

근거 : 정답 근거: 역상제동(플러깅)은 3상 유도전동기의 전원 3선 중 2선의 접속을 바꿔 회전자계 방향을 반대로 만들어 강한 제동력으로 급속히 정지시키는 방법이다.

정답 ②

선풍기 방향을 반대로 돌리고 싶다면 모터 안의 자석 방향을 반대로 만들면 되겠죠? 3상 유도전동기(전기로 돌아가는 회전 기계)도 마찬가지예요.

3상 전원은 3개의 선이 각기 다른 순서로 전기를 보내면서 '회전자계'(공중에서 빙글빙글 도는 자기장)를 만듭니다.

이 도는 방향을 반대로 하려면?

→ 3개 선 중 아무거나 2개만 서로 바꿔 연결하면 됩니다.

그러면 전기가 도는 순서가 반대가 되어 회전자계도 반대로 돌아요.

주의! 3개 선을 전부 바꾸면?

→ 순서가 다시 원래대로라 방향이 그대로예요. (a-b-c가 c-a-b로 바뀐 것뿐)

리액턴스(전기의 흐름을 막는 부품)를 다는 건 방향 전환과 상관없어요.

이런 문제가 나오면 → '역회전 = 2선 교체, 3선 다 바꾸면 제자리'로 외우세요!

근거 : 정답 근거: 3상 유도전동기의 회전 방향을 바꾸려면 3상 전원 중 임의의 2선의 접속을 서로 바꾸어 회전자계의 방향을 반대로 만들면 된다.

정답 ②

전동기가 돌면 2차(회전자)에 실제로 걸리는 전압은 정지 때보다 작아져요. 마치 자동차가 출발할 때만 바퀴가 크게 미끄러지고, 속도가 붙으면 미끄러짐이 줄어드는 것처럼요. 그 '미끄러짐 비율'이 슬립(s, 정격 속도와의 차이 비율)입니다.

슬립이 작아지면 2차에 유도되는 기전력도 그만큼 줄어들어서 sE₂만 사용해요.

풀이:

1) 분자: sE₂ = 0.05 × 127 = 6.35[V]

2) 리액턴스에도 s 곱하기: sx₂ = 0.05 × 0.05 = 0.0025[Ω]

3) 임피던스(전체 저항): √(0.03² + 0.0025²) ≈ 0.03[Ω]

4) 전류: 6.35 ÷ 0.03 ≈ 211[A]

이런 문제가 나오면 → '2차 전류는 sE₂를 √(r₂²+(sx₂)²)로 나눈다'를 외워서 바로 대입하면 됩니다.

근거 : 핵심 공식: $I_2=\frac{sE_2}{\sqrt{r_2^2+(sx_2)^2}}$. 암기팁: '2차 전류는 슬립이 곱해진 기전력을 2차 임피던스로 나눈 값'으로 기억한다.

정답 ③

회전목마를 타고 있을 때, 목마가 나보다 조금 느리게 도는 것처럼 유도전동기도 회전자(도는 부분)가 자기장보다 약간 느리게 돌아요. 그 '조금 느린 정도'를 슬립(s, 미끄러짐 비율)이라고 부릅니다.

회전자 회로에서 느껴지는 주파수(1초에 몇 번 변하는지)는 슬립이 클수록 커져요.

계산은 그냥 곱셈 하나입니다:

회전자 주파수 = 슬립 × 전원 주파수

= 0.05 × 60

= 3 [Hz]

이런 문제가 나오면 → '회전자 주파수 = s × f' 공식에 숫자만 넣어 곱하면 끝!

근거 : 핵심 공식: 회전자(2차) 주파수 $f_2=sf_1$ (슬립 s, 1차 주파수 $f_1$).

정답 ④

유도전동기는 자기장이 도는 속도(동기속도)보다 실제 회전축이 조금 느리게 돌아요. 이 차이를 '미끄러짐(슬립)'이라고 해요. 달리기 선수가 컨베이어벨트 위에서 살짝 뒤로 밀리는 것처럼요!

먼저 동기속도(자기장이 도는 속도)를 구해요.

$N_s=\frac{120 \times 60}{12}=600$rpm

실제 회전수는 540rpm이니까 차이는

$600-540=60$rpm

이 차이를 동기속도로 나누고 100을 곱하면

$s=\frac{60}{600} \times 100=10\%$

이런 문제가 나오면 → '120×주파수÷극수로 동기속도 먼저 구하고, (동기속도-실제회전수)÷동기속도×100' 순서로 풀기!

근거 : 핵심 공식: $N_s=\frac{120f}{P}$, $s=\frac{N_s-N}{N_s}\times100[\%]$. 암기팁: '극수 12는 소형 저속 전동기용'으로 동기속도가 낮게 나오는 것에 익숙해지기.