유도기의 3가지 동작모드

가. 서론

유도기는 3가지 모드로서 동작한다. 3모드에는 전동기 작용(motoring), 발전기작용(generating), 플러깅작용(plugging)이 있다. 설명을 위하여 그림 a와 같이 유도기와 직류기의 축이 기계적으로 연결되었다고 가정한다.

나. 3가지 동작모드

1. 전동기작용

고정자단자가 3상 전원과 연결되었을 때 회전자는 고정자 회전자계의 방향으로 회전한다. 이것을 유도기의 전동기작용이라고 한다. 그림 b에서와 같이 안정속도 n은 동기속도 ns보다 작다.

2. 발전기작용

그림 c에서와 같이 직류전동기를 조정하면 시스템의 속도를 동기속도보다 높이소 고정자 회전자계와 같은 방향으로 회전시킬 수 있다. 이때 유도기는 그림 e와 같이 회전자 회전에 반대로 작용하는 토크를 발생한다.
발전기 작용은 유도기에서 회생제동(Regenerating Breaking) 시키기 위한 구동 장치에 이용된다. 예를 들어, 구동 시스템장치의 속도제어를 위하여 가변주파수 전원이 유도 전동기에 공급된다고 가정하자, 구동 시스템을 정지시키기 위하여 전원주파수를 점차적으로 감소시키면 이과정에서 시스템의 관성 때문에 유도전동기의 순간 속도는 동기속도보다 높다. 결과적으로 유도 전동기의 발전기 작용으로 인하여 전력이 반대로 전원측으로 흐르게 되며 따라서 구동 시스템의 운동에너지는 전원으로 공급된다. 이러한 과정을 회생제동이라고 한다.

3. 플러깅작용

시스템을 고정자 회전자계의 반대방향으로 회전시키기 위해 그림 a의 직류전동기를 조정하게 되면 토크는 회전자계의 방향으로 발생하나 회전자의 운동방향에 대해서는 반대가 된다. 이러한 토크를 제동토크라 한다.
이러한 제동작용은 구동 시스템을 급히 정지시킬 필요가 있는 분야에 이용된다.

유도전동기가 정상속도로 운전하고 있다고 가정하고, 만약 상 단자의 순서가 급히 바뀔 때 고정자의 회전자계는 회전자 운동방향에 대해 반대로 회전하게 되며 이에 따라서 플러깅을 시작하게 된다. 이때 전동기는 급히 영속도에 도달하게 되며 영속도에서 전원과 단자를 분리하지 않으면 반대속도로 가속된다. 그림 e 에서는 유도전동기의 3가지 동작모드와 가변속 범위에서 전형적인 토크 특성을 보이고 있다.

다. 3가지 동작모드에서의 전력흐름

유도기에서의 전력흐름은 동작모드에 따라 결정된다. 이러한 동작모드는 유도기의 동작특성에서 설명한 여러 가지 전력관계에 대해 유도한 수식들에 의해 쉽게 설명할 수 있다. 이러한 표현식에서 슬립 s의 기호는 실제적으로 전력흐름을 표시한다. 예를들어 발전기 동작모드에서 슬립은 부(-)이다.
그러므로 공극전력도 부(-)가 된다.(주:회전자회로의 동손 P2는 항상 정(+)이다.) 이는 발전기 동작모드에서 실제적으로 공극을 통과하는 전력은 회전자에서 고정자로 흐른다.

아래의 그림에서는 3가지 동작모드를 전력 흐름 다이어그램으로 표시하고 있다. 철손, 풍손 및 마찰손은 일정한 회전손실 Prot로 합쳐서 표현하였다.

전동기 동작모드에서 s는 부(-)이며 따라서 Pag와 Pmech는 아래그림 b의 도식과 같이 부(-)이다.

아래의 그림 등가회로에서 저항 [(1-s)/s]R2는 부(-)이며 이 저항은 동력원을 의미한다.

플러깅 동작모드에서 s는 1보다 크다. 따라서 Pag는 정(+)이나 Pmech는 그림 c와 같이 부(-)이다. 이 모드에서 회전자는 회전자계에 대해 반대 방향으로 회전하며 기계적 에너지는 들어간다. 그러므로 전력 및 동력이 양면에서 시스템으로 흐르며 결과적으로 회전자 회로의 손실 P2는 매우 커진다.

아래 그림 e의 등가회로에서 저항 [(1-s)/s]R2는 부(-)이며 동력원을 의미한다.