오늘은 전동차의 바퀴 등 회전하는 물체에 회전력을 전달하는 3상 농형 유도전동기의 동작 원리에 대해 알아보겠다. 그 후엔 어떻게 속도와 토크(회전력)를 조절하는지 공부해 보겠다.
1. 동작 원리
1) 도체에 전류가 흐르면 암페어의 오른나사 법칙에 의해 주변에 자기장이 생긴다. 고정자에 3상 전류를 흘린다. 그러면 아래의 그림과 같이 고정자 내부에 시간의 흐름에 따라 360도로 회전하는 회전자계(자기장)가 형성된다.
2) 고정자 안에 있는 도체로 이루어진 폐회로 회전자에 변화하는 자계가 통과한다. 그러면 패러데이의 전자기 유도 법칙에 의해 회전자에 전류가 흐른다.
3) 회전자에 전류가 흐르면 주변에 자기장이 생긴다.
4) 고정자에서 발생한 자기장과 회전자에서 발생한 자기장이 서로 밀고 끌어당겨서 회전자가 회전을 한다.
5) 회전자의 회전력이 이것에 연결된 축과 바퀴에 전달되어 전동차가 움직이게 된다.
2. 속도 조절 방법
회전자계의 회전속도를 바꾸거나, 고정자 입력전압의 크기를 변화시켜 회전자의 속도를 조절할 수 있다. 아래에서 자세히 살펴보자.
1) 입력전압의 주파수에 따라 회전자계의 회전속도가 달라진다. 예를 들어, 위 그림의 입력전압이 주파수 60Hz이면, 120Hz의 입력전압은 동일한 시간 동안 회전자계가 회전을 2배 더 한다. 그러면 회전자도 자석의 인력/척력에 의해 회전을 2배 더 한다.
2) 위 그림의 회전자계는 N극 1개와 S극 1개여서 총 2극이지만, 고정자의 권선 결선을 다르게 하면 4극, 6극 등으로 극수를 다르게 할 수 있다. 극수를 2극에서 4극으로 하면 3상 입력전압이 한 주기 지날 때 2극은 회전자계가 한 바퀴 회전하지만, 4극은 회전자계가 반 바퀴 회전한다. 따라서 그만큼 회전자의 속도도 늦어진다.
3) 고정자 입력전압의 크기를 변화시킨다. 슬립은 회전자계와 회전자의 속도 관계이다. 아래의 토크 공식과 그래프를 보자. 전동기의 토크곡선과 부하토크곡선이 만나는 지점이 운전점이다. 입력전압을 높이면 운전점이 슬립이 작아진 부근에서 형성이 되기에 속도가 증가한다.
3. 토크(회전력) 조절 방법
마찬가지로 위의 그래프에서 볼 수 있듯이 입력전압을 높이면 운전점의 토크가 증가한다. 무거운 물체를 달아서 부하토크곡선이 위로 상승하면 운전점이 슬립이 큰 곳에서 형성되어 속도가 느려진다. 그때 전압을 높이면 토크도 높이고 속도도 증가시킬 수 있는 것이다.
4. 토크와 속도의 관계
위의 식에서 속도를 일정하게 하고 전압을 높이면 토크가 세진다. 또한 토크를 일정하게 하고 전압을 높이면 속도가 빨라진다. 여기서 토크와 속도의 관계가 헷갈릴 수 있다. "토크가 세야 회전속도도 빠른 것 아닌가?"라는 질문엔 다음과 같이 답변할 수 있다. 자동차의 경우 저속기어에서 토크가 세고 속도가 느리다. 거기서 점점 가속되면 토크가 약하고 속도가 빠르다. 약한 힘으로 빠른 속도를 낼 수 있는 것이다. 출력이 똑같은 상태에서 속도가 커지면 토크가 작아진다. 출력은 토크와 속도의 곱이기 때문이다. 전동기도 마찬가지이지만 일정한 토크를 유지하며 전압을 높이면 전체 출력이 커져서 속도를 높일 수 있다. 전체 출력이 커져서 힘이 작아지지 않음에도 속도가 빨라지는 것이다. 힘도 세고 속도도 빠른 것이다. 또한 속도를 일정하게 유지한 채 전압을 높이면 회전력을 세게 할 수 있다. 같은 속도로 회전하는 전동기이지만 회전력이 더 큰 전동기는 보다 회전하기 힘든 상황에서 회전할 수 있는 것이다.