개념 한 쪽
동기기와 유도전동기의 기본 작동 원리는 회전자와 자계의 상호작용, 주파수와 극수의 관계, 그리고 슬립 개념으로 요약된다. 기기별 특징과 병렬운전, 제동 방법 등을 원리 중심으로 정리한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
출제기준 단원 「구조와 원리」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 슬립의 정의와 상태 구별 | 1 | 슬립이 0 또는 1일 때의 회전자 속도 상태를 판별하게 한다 |
| 슬립 적용 회전수 계산 | 1 | 동기속도와 주파수로부터 슬립 적용 후 실제 회전수를 계산하게 한다 |
| 법칙 적용 기기 판별 | 1 | 플레밍의 왼손법칙 적용 대상 장치를 고르게 한다 |
동기속도는 전기기기의 회전 기준 속도로, 주파수와 극수에 의해 결정된다. 동기속도는 Ns = 120 × f ÷ P 관계로 구하며, 같은 주파수와 극수를 가지면 동기속도는 일정하다. 동기발전기를 병렬운전할 때 주파수가 동일하면 회전수도 동일하게 유지되므로 회전수는 별도의 독립 조건으로 고려하지 않아도 된다.
유도전동기에서는 회전자의 실제 속도가 동기속도보다 느린 경우가 일반적이며, 이 차이를 슬립이라고 정의한다. 슬립은 s = (Ns − N)/Ns로 계산하며, s=0이면 회전자 속도가 동기속도와 일치함을 의미한다. 슬립이 커지면 실제 회전수가 감소하므로 부하 증가 시 슬립과 슬립 주파수가 증가하는 인과관계를 가진다.
유도전동기의 2차(회전자)에서 발생하는 기전력의 주파수는 슬립과 전원 주파수의 곱으로 주어지며, f2 = s × f1 관계가 성립한다. 따라서 동기속도와 실제속도를 통해 슬립을 구한 뒤 2차 주파수를 계산해야 한다. 권선형 유도전동기는 회전자 권선에 외부 저항을 연결하여 기동 특성을 조절할 수 있으며, 2차 저항을 변화시켜 최대토크가 발생하는 슬립 위치를 이동시킬 수 있다.
전동기의 회전 방향과 관련된 법칙으로 플레밍의 왼손법칙은 전류와 자계가 만나 힘을 발생시키는 전동기의 작동 원리를 설명한다. 왼손법칙은 전기에너지를 기계에너지로 변환하는 전동기에 적용하고, 오른손법칙은 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기에 적용한다고 구분한다. 회전자계의 방향은 상순서에 의해 결정되므로 임의의 2상 단자를 교환하면 상순서가 반전되어 회전자계가 역방향으로 회전하고, 이로 인해 제동 토크가 발생하는 플러깅 제동 방식이 성립한다.
직류발전기는 전기자와 정류자의 작동으로 직류를 얻는 기기이며, 회전 방향이 바뀔 때 전압의 극성 변화가 발생하므로 출력 특성이 달라질 수 있다. 시험 문제의 문맥에 따라 역회전 시 정상적인 직류 출력이 되지 않는 것으로 해석하는 경우가 있으므로 정류자의 역할과 극성 변화를 고려하여 판단해야 한다.
유도전동기의 회전수 계산 예시 - 4극, 전원 주파수 60Hz인 기계의 동기속도는 Ns = 120 × 60 ÷ 4 = 1800 rpm이다. 슬립이 6%일 때 실제 회전수는 N = Ns × (1 − s) = 1800 × 0.94 = 1692 rpm으로 약 1700 rpm이 된다.
2차 기전력 주파수 계산 예시 - 동일한 4극, 60Hz 기계에서 실제속도가 1725 rpm이면 슬립 s = (1800 − 1725)/1800 ≈ 0.0417이다. 이에 따른 2차 주파수는 f2 = s × f1 = 0.0417 × 60 ≈ 2.5 Hz가 된다.
효율과 입력 전력 계산 예시 - 정격출력 15 kW, 효율 80%인 전동기의 1차 입력은 P_in = P_out / η = 15 ÷ 0.8 = 18.75 kW로 계산한다.
유도전동기에서 슬립이 "0" 이란 의미와 같은 것은?
정답 ① · 문제는 유도전동기에서 슬립이 0이라는 상태가 의미하는 바를 묻고 있다. 슬립은 동기속도와 회전자 속도의 차이를 나타내므로 슬립이 0이면 회전자가 동기속도와 동일하게 회전하는 것을 의미한다.
슬립은 동기속도와 회전자 속도의 차이를 나타내므로, 슬립이 0이면 회전자 속도가 동기속도와 일치함을 의미한다.
극수가 4 이고 슬립이 6%인 유도전동기를 어느 공장에서 운전하고자 할 때 예상되는 회전수는 약 몇 rpm 인가?
정답 ③ · 유도전동기의 동기 속도 Ns는 주파수(f)와 극수(P)에 의해 결정되며, 일반적으로 상용 주파수 60Hz를 기준으로 Ns = 120 × f / P로 계산합니다. 극수가 4극일 때 동기 속도는 1800rpm입니다.
동기속도 Ns=120f/P, 실제속도 N=Ns(1-s) 공식을 사용해 60Hz 기준 1800rpm에서 슬립 6%를 적용하면 약 1700rpm이다.
플레밍의 왼손법칙에 따르는 것은?
정답 ① · 문제는 플레밍의 왼손법칙이 적용되는 장치를 묻고 있다. 왼손법칙은 전류와 자기장 사이에서 힘이 발생해 전기에너지를 기계적 에너지로 변환하는 원리를 나타내므로 전동기(모터)에 해당한다.
플레밍의 왼손법칙은 전류와 자계가 만나 힘을 발생시키는 전동기의 원리를 설명하는 법칙이다.
승강기기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.