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전기기사 전기기기 · 정류자형 주파수 변환기

Commutator-Type Frequency Converter

정류자형 주파수 변환기는 슬립링으로 넣은 교류를 정류자와 브러시로 꺼내, 회전자 속도에 따라 주파수가 바뀐 교류를 얻는 기계다. 브러시에서 보는 주파수는 유도전동기의 회전자 주파수와 같은 f₂ = sf₁ 이라, 회전자 속도로 슬립을 바꾸면 출력 주파수가 바뀐다. 주로 유도전동기의 2차 여자용 교류 여자기로 쓰였고, 지금은 반도체 인버터가 그 자리를 거의 대신해요. 입력 주파수 · 극수 · 회전자 속도 슬라이더를 움직이면 입력과 출력 파형, 속도-주파수 직선 위의 점이 함께 바뀌어요.

주파수 변환의 원리

유도전동기의 회전자에 유도되는 주파수는 f₂ = sf₁ 이다. 이 관계를 쓰면 회전자 속도를 바꿔 원하는 주파수를 만들 수 있다. 정류자로 회전자 쪽 기전력을 바깥으로 꺼내면 주파수 변환기가 돼요.
💡 핵심 아이디어
입력 주파수 f₁ 을 넣으면 출력 주파수는 f₂ = sf₁ 이다.
①회전자 속도 N 을 바꾸면 슬립 s 가 바뀐다.
②s 가 바뀌면 출력 주파수 f₂ 가 바뀐다.
③이 기전력을 정류자와 브러시로 바깥에 공급해요.

입력 · 출력 파형과 주파수 관계

슬라이더로 입력 주파수와 회전자 속도를 바꾸며 출력 주파수가 어떻게 달라지는지 본다. 회전자가 동기속도에 가까울수록 출력 주파수는 0 에 가까워진다.
60 Hz
4 극
900 rpm
N_s = 1800 rpm, s = 0.500, f₂ = 30.0 Hz

출력 주파수 공식

출력 주파수
f2 = sf1 = ((Ns − N) / Ns) · f1
출력 주파수 f₂ = sf₁ = 슬립 × 입력 주파수
동기속도의 절반(N = N_s/2)으로 돌면 s = 0.5 라서 f₂ = 0.5 × f₁ 이 된다. 멈춰 있으면(N = 0) f₂ = f₁ 로 입력과 같고, 동기속도(N = N_s)로 돌면 f₂ = 0 이에요.
출력 주파수
N = 0 → f2 = f1
정지: 출력 = 입력(변압기와 같다)
출력 주파수
N = Ns → f2 = 0
동기속도: 출력 주파수 = 0(직류)
출력 주파수
N > Ns → f2 = |s|·f1
동기속도 위: 주파수가 다시 커지고 상회전이 뒤집힌다

쓰임

정류자형 주파수 변환기는 유도전동기의 2차 여자용 교류 여자기처럼 슬립 주파수의 전압이 필요한 곳에 쓰였다. 지금은 반도체 인버터가 이 역할을 대부분 대신해요.
⚡ 장단점
장점: 큰 용량에서도 안정적이고, 주파수를 연속으로 바꿀 수 있다.
①단점: 정류자 보수가 필요하고, 크고 무거우며 효율이 낮다.
②지금은 반도체 인버터(VVVF)가 거의 대신한다.
③시험에서는 원리를 묻는 문제가 나오고, f₂ = sf₁ 관계가 핵심이에요.

시험 정리

출력 주파수
f2 = sf1 = (Ns−N)/Ns · f1
정류자형 주파수 변환기의 핵심 공식
출력 주파수
Ns = 120f1/P
동기속도(변환기의 극수로 정해짐)
📝 시험 포인트
①f₂ = sf₁ 의 s = (N_s−N)/N_s 는 유도전동기의 슬립 공식과 같다.
②N = 0 이면 f₂ = f₁ 로 단순한 변압기처럼 동작한다.
③N = N_s/2 이면 f₂ = f₁/2 로 주파수가 반이 된다.
④N > N_s 이면 s < 0 이라 출력의 상회전이 뒤집혀요.
⑤60Hz 를 50Hz 로 바꾸려면 N_s = 1800 일 때 N = 300rpm 에서 f₂ = 50Hz 가 된다.
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 정류자형 주파수 변환기의 출력 주파수 공식은? (답: f₂ = sf₁ = (Ns−N)/Ns·f₁)
②[기출유형] 4극 변환기로 60Hz 를 50Hz 로 바꾸려면 회전 속도는? (답: N = Ns(1−50/60) = 300rpm)
③[기출유형] 회전자가 동기속도로 돌면 출력 주파수는? (답: 0Hz. 직류)
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