전기기사 전기기기 · 3상 정류자 전동기

Three-Phase Commutator Motors

3상 정류자 전동기는 유도기의 속도·역률 한계를 브러시 제어로 넓힌 교류 정류자 기계예요. 슈라게는 1차가 회전자·2차가 고정자로 일반 유도기와 반대이고, 브러시 간격·이동으로 초동기·아동기 속도를 만들어요. 3상 직권은 역률은 좋지만 무부하 과속 주의가 필요해요. 3상 직권과 슈라게를 바꾸면 구조와 속도 제어 축 차이가 보여요.

3상 정류자 전동기란?

유도전동기는 속도 제어가 어렵고 역률이 나쁘다. 3상 교류정류자기는 정류자를 이용하여 넓은 범위의 속도 제어와 역률 개선을 동시에 달성하기 위해 개발되었다. 직권형과 분권형(슈라게)이 대표적이다.

💡 유도전동기의 한계를 넘어

유도전동기: 동기속도 근처에서만 운전, 역률 0.8 수준

①3상 직권 정류자: 동기속도 이상 가능, 역률 ≈ 1

②슈라게(분권): 아동기~초동기 광범위 속도 제어 + 역률 조정

슈라게(Schrage) 전동기

브러시 이동각 β0°

속도 제어 원리

3상 전원을 고정자에 공급하고, 회전자(전기자)는 정류자를 통해 고정자와 직렬로 연결된다. 무부하 시 동기속도 이상으로 회전할 수 있으며(과속), 역률이 유도전동기보다 높다는 장점이 있다.

초동기 조건

N > N_s 가능 (무부하 시)

동기속도 이상 회전: 유도전동기와의 핵심 차이

역률

역률 cosφ ≈ 1 달성 가능

브러시 위치 조정으로 역률 개선

역률 개선 원리

슈라게 전동기는 3상 교류정류자기 중 가장 중요한 형태이다. 독특하게 1차(전원)가 회전자, 2차가 고정자에 배치된다. 회전자의 정류자에서 브러시를 이동하면 고정자에 주입되는 전압의 크기와 위상이 변하여 속도와 역률을 동시에 제어할 수 있다.

슈라게 속도

N = N_s(1 + E_b·cosθ / E₂)

E_b: 브러시간 전압, θ: 위상, E₂: 2차 유도전압

⚡ 슈라게 전동기의 핵심

1차 = 회전자 (전원 연결), 2차 = 고정자: 일반 유도기와 반대!

①브러시를 벌리면: E_b 증가 → 속도 변화 폭 증가

②브러시를 한 방향으로 이동: 초동기속도 (N > N_s)

③반대 방향 이동: 아동기속도 (N < N_s)

④브러시 간격 = 속도 범위, 이동 방향 = 속도 증감

브러시 간격

브러시 간격 ↑ → 속도 가변 범위 ↑

브러시 벌림 = 주입전압 크기 조정

브러시 이동

브러시 이동 방향 → 역률 조정

진상/지상 무효전력 제어 가능

시험 정리

3상 직권

3상 직권: N > N_s 가능, 역률 우수

직렬 연결, 과속 주의

슈라게

슈라게: 아동기~초동기 연속 속도 제어

1차=회전자, 브러시 이동으로 제어

📝 시험 포인트

①슈라게 전동기의 1차 = 회전자, 2차 = 고정자 (반대!)

②브러시 간격 = 속도 가변 범위, 브러시 이동 방향 = 초/아동기 결정

③3상 직권은 무부하 시 과속 위험: 단상 직권과 동일 주의점

④슈라게는 역률 조정 가능: 진상(콘덴서 역할)도 가능

⑤인버터 발달로 실용에서는 거의 대체되었으나 시험은 핵심

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 슈라게 전동기에서 1차 권선이 있는 곳은? (답: 회전자. 일반 유도기와 반대)

②[기출유형] 슈라게 전동기의 속도 제어 방법은? (답: 브러시 간격(위치) 조정)

③[기출유형] 3상 분권 정류자 전동기의 최대 장점은? (답: 역률 개선 가능)