1. 유도전동기의 속도제어 개요
유도전동기의 회전속도는 다음 식으로 표현됩니다:
N = N_s(1-s) = {120f/p}(1-s) [rpm]
- N: 전동기의 회전속도 (rpm)
- N_s: 동기속도 (rpm)
- s: 슬립
- f: 전원 주파수 (Hz)
- p: 전동기의 극수
따라서 유도전동기의 속도를 변화시키기 위해서는 극수(p)나 전원 주파수(f)를 변경하거나, 전압의 크기를 조절하여 제어할 수 있습니다. 권선형 유도전동기의 경우, 2차 저항을 조절하여 속도 제어가 가능합니다.
2. 농형 유도전동기의 속도제어
2.1 극수변환제어
극수변환제어는 고정자 권선의 접속을 변경하여 전동기의 극수를 변환함으로써 속도를 제어하는 방식입니다. 회전속도는 극수에 반비례하므로 극수를 줄이면 회전속도가 증가합니다.
N = {120f/p}(1-s) [rpm]
예를 들어, 8극에서 4극으로 변환 시 속도가 2배로 증가합니다. 이 방식은 효율적이고 간단하지만, 최근에는 사용 빈도가 줄어들고 있습니다.
- 장점: 간단하고 효율적이며 2~4단의 속도 변환 가능
- 단점: 극수 변경이 제한적
- 적용 사례: 엘리베이터, 공작기계, 송풍기
2.2 주파수 제어 (VVVF)
주파수 제어는 인버터를 사용해 주파수를 변환하여 속도를 조절하는 방식입니다. 전동기의 속도는 주파수에 비례하므로 주파수를 변화시켜 원하는 속도로 제어할 수 있습니다.
V = kφN = kφ(120f/p)
- V: 전압
- φ: 자속
- k: 상수
속도 제어를 원활히 하기 위해 주파수와 전압을 동시에 변화시키며, 이를 VVVF 제어라 합니다. 이를 통해 자속을 일정하게 유지하며 속도를 제어합니다.
- 장점: 광범위한 속도제어, 고효율
- 적용 사례: 펌프, 송풍기
2.3 1차 전압제어 (VVCF)
1차 전압제어는 전동기의 1차 전압을 조절하여 속도를 제어하는 방식입니다. 슬립이 일정하다면 토크는 1차 전압의 제곱에 비례합니다.
T ∝ sV_1²
- T: 토크
- s: 슬립
- V₁: 1차 전압
1차 전압제어 방식은 소형 전동기에 적합하며 제어가 간단하지만, 속도 제어 범위가 좁다는 단점이 있습니다.
3. 권선형 유도전동기의 속도제어
3.1 2차 저항제어
2차 저항제어는 2차 회로에 가변 저항을 삽입해 속도를 조절하는 방식입니다. 이 방법은 유도전동기의 비례추이 특성을 활용합니다.
{r₂/s} = {mr₂/ms}
2차 저항을 변화시켜 동일한 토크에서 속도를 제어할 수 있습니다. 권상기나 기중기와 같은 장비에 적합합니다.
- 장점: 간단하고 속도 제어가 원활
- 단점: 저항 손실 발생
3.2 2차 여자제어
2차 여자제어는 2차 권선에 전압을 가해 속도를 제어하는 방식입니다. 전압의 크기와 방향을 조절하여 슬립을 제어할 수 있습니다.
I₂s = {sE₂/√(r₂²+(sx₂)²)}
- I₂s: 2차 전류
- E₂: 2차 기전력
- V: 가한 전압
2차 여자제어는 동기속도를 상하로 조정할 수 있는 광범위한 속도 제어가 가능하며, 대용량 장비에 적합합니다.
- 장점: 고효율, 고역률
- 적용 사례: 압연기, 펌프
4. 결론
3상 농형 유도전동기와 권선형 유도전동기의 속도 제어는 각각의 특성과 장점을 활용하여 다양한 방식으로 이루어집니다. 농형 유도전동기는 극수 변환, 주파수 제어, 전압 제어와 같은 방식을 사용하며, 권선형 유도전동기는 2차 저항제어와 2차 여자제어를 활용해 보다 정밀한 속도 조절이 가능합니다. 이러한 속도 제어법은 전동기의 효율성과 안정성을 높이며 다양한 산업 현장에서 사용됩니다.