개념 한 쪽
유도전동기는 실무에서 역률 개선, 기동법 선택, 토크특성 이해가 중요하므로 관련 개념을 정확히 알야 한다. 본 개념은 효율·입력·슬립에 따른 회전수·2차 동손, 권선형과 농형의 차이, 역률 개선 방법 등 시험에서 자주 묻는 핵심 사항을 정리한다.
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출제기준 단원 「전력의 역률, 토크 및 원선도」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 효율로 입력전력 계산 | 1 | 출력과 효율로부터 입력 전력을 계산하는 방법을 묻는다 |
| 상순서 변경에 의한 제동법 | 1 | 3상 단자 두 상을 바꿔 제동하는 원리와 명칭을 물어본다 |
| 권선형 전동기 특성 판단 | 1 | 2차 저항 변화가 토크·속도·최대토크에 미치는 영향을 묻는다 |
전동기 효율은 입력 전력 대비 유효 출력의 비율을 나타내는 지표이다. 예컨대 효율이 80%라면 입력 전력의 80%만 기계적 출력으로 변환되고 나머지는 손실로 소산된다고 본다. 출력과 효율 관계를 이용해 입력 전력을 계산할 수 있다.
유도전동기의 동기속도는 전원 주파수와 극수로 결정되며, 공식은 Ns = 120 × f ÷ P이다. 실제 회전수는 동기속도보다 작고, 슬립률 s를 적용하여 N = Ns(1 − s)로 구한다. 슬립은 회전자가 동기장에 대해 뒤처지는 비율로서 회전수와 토크·손실 계산에 직접 영향을 준다.
2차 동손(로터 동손)은 출력과 슬립의 관계로 표현되며, 공식은 P2 = P_out × s / (1 − s)이다. 슬립이 작을수록 2차 동손은 작아지고, 슬립을 정확히 반영해야 손실과 열관리에 관한 계산이 정확해진다.
권선형 유도전동기는 회전자 권선을 외부로 인출하여 2차측에 저항기를 연결함으로써 기동토크를 조절할 수 있다. 2차 저항을 늘리면 기동토크가 증가하고 최대토크가 발생하는 슬립 위치가 이동하나, 최대토크의 크기 자체는 변하지 않는다. 농형 유도전동기는 2차 회로를 외부로 인출하지 못하므로 권선형의 이런 기동 제어가 불가능하다.
유도전동기는 유도성 부하이므로 역률이 낮아지는 경향이 있다. 역률을 개선하려면 무효전류를 상쇄할 콘덴서를 병렬로 접속하여 유효전력 대비 무효전류를 줄이는 방법을 일반적으로 사용한다.
예1 — 입력 전력 계산: 정격출력 15kW, 효율 80%인 경우 입력 전력은 P_in = P_out / η로 구하므로 15 ÷ 0.8 = 18.75kW가 된다. 슬립이나 주파수 등 부가 정보는 입력 계산에 직접 영향을 주지 않으므로 무시한다.
예2 — 회전수와 2차 동손 계산: 주파수 60Hz, 4극, 슬립 6%인 경우 동기속도 Ns = 120 × 60 ÷ 4 = 1800rpm이고 실제 회전수는 N = 1800 × (1 − 0.06) = 1692rpm이 된다. 같은 조건에서 출력이 10kW이고 슬립이 4.8%라면 2차 동손은 P2 = 10 × 0.048 / 0.952 ≈ 0.504kW가 된다.
회전 중인 유도전동기의 3상 단자 중 임의의 2상의 단자를 바꾸어서 제동하는 방법은?
정답 ③ · 문제는 회전 중인 3상 유도전동기에서 임의의 두 상을 바꿔 제동하는 방법을 묻고 있다. 두 상을 바꾸면 상순서가 반전되어 회전자계의 회전방향이 반대가 되고, 관성으로 계속 정방향으로 회전하는 로터와의 상대속도 차이로 큰 역토크가 생겨 제동이 이루어지는데 이를 플러깅이라고 한다.
3상 전동기 상순서를 반대로 바꾸면 회전자계가 역방향으로 회전하여 제동 토크를 발생시키는 플러깅 방식이다.
정격출력 15kW, 정격전압 170V, 주파수 50Hz, 극수 4의 3상 유도전동기가 있다. 이 전동기가 전부하에서 슬립 4%, 효율 80%로 운전하고 있을 때, 1차 입력은 몇 kW 인가?
정답 ④ · 유도전동기의 효율은 출력과 입력의 비율을 나타내며, 입력 = 출력 / 효율의 관계가 성립합니다. 주어진 조건에서 정격출력이 15kW이고 효율이 80%이므로, 전부하 운전 시 1차 입력 = 15 / 0.8 = 18.75kW로 산출됩니다.
전동기 효율은 출력 대 입력 비율이므로, 입력은 정격출력을 효율로 나눈 값인 18.75kW이다.
권선형 유도전동기의 특성이 아닌 것은?
정답 ④ · 권선형 유도전동기의 최대 토크(Maximum torque)는 전동기의 고정자 및 회전자 임피던스에 의해 결정되며, 2차(회전자) 저항값의 변화와는 무관하게 일정한 값을 유지합니다. 단, 2차 저항이 증가하면 최대 토크가 발생하는 슬립(s_max)의 위치는 증가합니다.
권선형 유도전동기의 최대 토크는 2차 저항과 무관하게 일정하지만, 최대 토크 발생 슬립은 2차 저항에 비례한다.
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