3상 전류와 회전 자기장

세 진동 자속을 더하면 무엇이 되나

공간적으로 120° 떨어진 세 권선에, 시간적으로 120° 어긋난 3상 전류가 흐른다. 각 권선은 제 축을 따라 자속을 진동시킬 뿐이다. 이 셋의 벡터 합이 어떤 모습일지 골라 보라. 애니메이션이 답을 보여 준다.

한 상은 진동만 한다

단상 권선에 교류가 흐르면 자속은 한 축을 따라 최대값에서 0, 다시 반대 최대값으로 진동할 뿐 돌지 않는다. 이를 교번자계라 한다. 교번자계는 같은 크기로 서로 반대 방향으로 도는 두 회전자계의 합으로 분해된다. 그래서 단상 유도기는 스스로 한쪽으로 돌 이유가 없어 기동 장치가 따로 필요하다.

셋이 모이면 회전한다

공간적으로 120° 떨어진 세 권선에, 시간적으로 120° 어긋난 3상 전류를 흘린다. 각 순간 세 자속 벡터를 더하면, 합성 벡터의 크기는 언제나 최대값의 1.5배로 일정하고 방향만 회전한다. 전류가 시간상 한 칸 나아가면 합성 자계도 공간상 그만큼 돈다. 전류의 시간 위상이 곧 자계의 공간 각도가 되는 것이다. 두 상의 연결을 맞바꾸면(상순을 바꾸면) 회전 방향이 뒤집힌다.

회전 속도는 동기속도

전류가 한 주기를 도는 동안, 가장 단순한 2극 권선에서는 회전 자계가 정확히 한 바퀴 돈다. 극수 P를 늘리면 자계 패턴이 촘촘해져 한 주기에 도는 각이 줄고, 회전 속도도 그만큼 줄어든다. 분당 회전수로 적으면 동기속도 Ns = 120f / P [rpm]다. 전기각과 기계각의 관계로는 θ_e = (P/2) θ_m이다. 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, 진동분은 서로 지우고 회전분만 남아 최대값의 1.5배 크기로 돈다. 움직이는 부품 하나 없이 전류의 시간 위상이 자계의 공간 각도가 된다. 그 회전 속도가 동기속도 Ns = 120f/P이고, 두 상을 맞바꾸면 방향이 뒤집힌다. 이 회전 자기장이 다음 유닛에서 회전자를 끌고 가며 유도기의 원리가 된다.

회전자계는 유도기의 엔진이다. 고정자가 만든 이 회전 자기장 속에 회전자를 두면, 회전자는 자기장을 따라가려 하지만 결코 동기속도를 따라잡지 못한다. 그 뒤처짐이 바로 슬립이고, 슬립이 있어야 회전자에 전류가 유도되어 토크가 생긴다. 다음 유닛은 회전자계와 회전자의 속도 차이에서 유도기의 원리와 슬립을 끌어낸다(MC-C2).