3상 전류와 회전 자기장

세 진동 자속을 더하면 무엇이 되나

공간으로 120° 떨어진 세 권선에 시간으로 120° 어긋난 삼상 전류가 흐르고, 각 권선은 제 축을 따라 자속을 진동시킬 뿐이다. 슬라이더로 위상 ωt를 옮기면 색 벡터 셋이 커졌다 작아지며 금색 합성 벡터가 움직이는데, 그 합성 벡터의 크기와 방향이 어떻게 변하는지가 이 강의 질문이에요.

한 상은 진동만 한다

단상 권선에 교류가 흐르면 자속은 한 축을 따라 최대값에서 0, 다시 반대쪽 최대값으로 진동할 뿐 돌지 않는다. 이를 교번자계라 하고, 교번자계는 같은 크기로 서로 반대 방향으로 도는 두 회전자계의 합으로 나눌 수 있어요. 그래서 단상 유도 전동기는 멈춰 있을 때 어느 쪽으로 돌지 정할 이유가 없어, 보조 권선과 콘덴서 같은 기동 장치를 따로 둔다.

셋이 모이면 회전한다

공간으로 120° 떨어진 세 권선에 시간으로 120° 어긋난 삼상 전류를 흘리고 각 순간 세 자속 벡터를 더하면, 합성 벡터의 크기는 언제나 한 상 최대값의 1.5배로 같고 방향만 돈다. 전류가 시간으로 한 칸 나아가면 합성 자계도 공간으로 그만큼 돌아, 전류의 시간 위상이 곧 자계의 공간 각도가 돼요. 두 상의 연결을 맞바꾸면(상순을 바꾸면) 회전 방향이 뒤집히고, 세 상 전류의 크기가 서로 다르면(불평형) 끝점의 자취가 원이 아니라 타원이 되어 진동하는 부분이 남는다.

회전 속도는 동기속도

전류가 한 주기를 도는 동안 가장 단순한 2극 권선에서는 회전 자계가 정확히 한 바퀴 돈다. 극수 P를 늘리면 자계 무늬가 촘촘해져 한 주기에 도는 각이 줄고 회전 속도도 그만큼 줄어든다. 분당 회전수로 적으면 동기속도는 Ns = 120f / P [rpm]이고, 전기각과 기계각의 관계는 θ_e = (P/2) θ_m이에요. 60 Hz에서 2극은 3600, 4극은 1800, 6극은 1200 rpm으로 돈다.

첫 화면으로 돌아가서

세 진동 자속의 합은 크기가 일정하게 회전하는 하나의 자기장이었다. 각 상은 제 축에서 진동만 하지만, 시간으로 120° 어긋난 셋을 공간으로 120° 벌려 더하면 진동하는 부분은 서로 지워지고 회전하는 부분만 남아 한 상 최대값의 1.5배 크기로 돌아요. 움직이는 부품 하나 없이 전류의 시간 위상이 자계의 공간 각도가 되는 것이다. 그 회전 속도가 동기속도 Ns = 120f/P이고, 두 상을 맞바꾸면 방향이 뒤집힌다. 다음 강에서는 이 회전 자기장이 회전자를 끌고 가며 유도기의 원리가 된다.

회전자계는 유도기의 엔진이다. 고정자가 만든 이 회전 자기장 속에 회전자를 두면 회전자는 자기장을 따라 돌지만 동기속도에는 끝내 이르지 못하는데, 그 뒤처짐이 슬립이에요. 슬립이 있어야 회전자 도체가 자속을 끊어 전류가 유도되고 토크가 생긴다. 다음 강에서는 회전자계와 회전자의 속도 차이에서 유도기의 원리와 슬립을 끌어낸다(MC-C2).