단상 유도전동기

1마력 이하의 전동기로 제한

단상으로는 교번자계가 형성될뿐 회전자계를 만들지 못한다.

단상유도전동기 동작은 2 회전자계이론과 교번자계이론으로 설명한다.

원리

1상에 의해 발생하는 자기력은 크기는 맥동하고 공간적으로 정지하여 있다.

자속의 크기가 단상의 자속의 1/2과 같고 서로 반대 방향으로 동기 속도로 회전하는 두 개의 자속으로 분리할 수 있다.

시계방향의 자속의 토크는 검정색 실선이고 반 시계방향의 자속은 검정색 점선과 같다. 이 두 자속의 합성 자속에 의한 토크는 파란색과 같다.

위 그래프에서 알 수 있듯이 정지되어있는 곳을 벗어나면 토크가 발생하여 회전할 수 있는 형태가 된다.

회전자가 기계적으로(손이나 다른 방법을 통해) 회전된다면 회전자계가 생성되며 기계는 동기속도 부근까지 가속하게 된다.

회전자가 돌기 시작하도록 하는 보조수단 없이는 회전자계를 발생할 수 없어서 기동장치가 필요하다.

기동

단상 유도 전동기의 기동은 분상 기동형, 반발 기동형, 반발 유도형으로 구분할 수 있다.

분상 기동형

상분활에 의한 기동

주권선(main winding)은 주축자속을 만들어낸다.

보조권선(auxiliary winding) 혹은 기동권선(starting winding)은 직교축자속을 만든다. 주권선과 90도의 전기각을 갖도록 배치한다.

상분활회로는 보조권선과 직렬로 접속되어 보조권선에 흐르는 전류가 주권선의 전류와 위상차를 갖도록 한다.

상분활은 커패시터나 저항을 통해 이루어질 수 있다.

기기는 일단 돌기 시작하면 자기여자에 의해 직교자속이 유지되므로 상분활회로를 갖는 보조 권선을 분리해도 무방하다.

저항기동형 분상전동기

보조권선에는 주권선보다 가는 전선을 사용, 보조권선의 저항-리액턴스 비가 주권선에서보다 큰 값이 되도록 한다.

원심스위치는 전동기가 대략 동기속도의 75-80%에 도달하면 개방된다.

기동토크는 정격의 130%정도이다.

원심펌프, 기름연소기, 송풍기 등에 사용된다.

커패시터기동형 분상전동기

일정주파수 전원하에서 극수 변경 이외에는 속도를 제어할 수 있는 방법이 없다.

위상차가 75°에서 88° 사이값을 가지도록 만든다.

기동토크는 정격의 300%정도이다.

스토커, 컴프레서, 왕복형 펌프에 주로 사용된다.

영구분상형 커패시터 전동기(permanent-split capacitor motor)

커패시터를 포함한 보조권선이 영구적으로 접속되어 있는 구조이다.

커피시터 용량은 기동특선과 운전성능 사이에서 절충된 값을 가진다.

속도제어 방식으로는 단권변압기를 사용, 두 권선 모두에 직렬로 외부저항이나 리액터를 사용, 탭과 선택스위치를 사용, 주권선의 권선수를 조정하는 방법, 정지형 제어기를 사용하는 방법등이 있다.

일체형 난방기, 환기용 팬등에 사용된다.

2중 커패시터 전동기(two-value capacitor motor)

기동시에는 운전시보다 큰 커패시터 용량을 사용한다.

운전상태에서는 커패시터 용량을 감소시켜 역률의 개선, 효율의 향상, 높은 항복토크가 나타난다.

쉐이드폴 전동기(shaded-pole motor)

쉐이딩코일은 자극의 일부에 감겨 있으며 단락된 변압기의 2차측과 같이 동작한다.

쉐이딩코일에 흐르는 전류는 그 전류를 유기하는 자계의 기자력을 방해하는 방향으로 기자력이 발생된다.

구조상 회전방향을 바꿀 수 없는 형태이다.

구조가 간단하고 견고하여 시계, 레코드 풀레이어, 소용량의 팬등에 사용된다.

등가회로

기존의 유도 전동기의 모델과 같은 형태이고 반시계방향 회전자계와 시계방향 회전자계의 성분이 각각 같이 존재한다.

등가회로로 부터 부하전류는 식(1)과 같다.

$\tag{1} I_2^{'} = \dfrac{V_1}{\sqrt{(r_1 + \dfrac{0.5r_2^{'}}{s} + \dfrac{0.5r_2^{'}}{2-s})^2+(x_1 + x_2^{'})^2}}$

$\tag{2} P_{out}=\dfrac{2V_1^2 r_2^{'}s(1-s)(2-s)}{[r_1 s(2-s)+r_2^{'}]^2+(x_1+x_2^{'})^2s^2(2-s)^2}$

기계출력은 식(3)과 같다.

$\tag{3} P = (1-s)P_0 = \dfrac{2V_1^2 r_2^{'}s(1-s)^2(2-s)}{[r_1 s(2-s)+r_2^{'}]^2+(x_1+x_2^{'})^2s^2(2-s)^2}$

특성

전부하 전류에 대한 무부하 전류의 비율이 크고, 역률은 같은 정격의 3상 유도 전동기에 비해 현저히 나쁘고, 중량도 무겁고 가격도 비싸다.

단상선로에서의 3상 전동기 운전

단상전원으로 운전되는 3상 전동기는 3상 정격의 약 3 분의 2 정도로 용량이 감소된다.

3상 전동기의 결상운전(고장상태)

결상이란 3상 운전중 한 상이 개방된 상태이다.

결상으로 야기된 과도한 진동은 전동기와 부하에 손상을 줄 수 있다.

고정자에 결상이 발생하면 나머지 두 선로에 흐르는 전류는 73% 증가한다.

정격부하나 그 부근에서 운전중에 결상이 발생하면 상전류의 증가는 권선을 급격하게 가열하게 되므로 보호기기가 설치되어야 한다.

구속토크

각 권선에 흐르는 구속전류의 크기의 곱에 이들 두 전류간 위상차의 사인값을 곱한 것에 비례한다.

보조권선회로에 추가된 저항은 보조권선의 전류를 감소시키지만 구속토크는 증가한다.

최적저항값에 해당하는 위상차는 일반적으로 25°에서 30°의 범위에 놓인다.