유도기의 기동과 속도제어

전압은 그대로 두고 주파수만 낮추면 자속은

고정자 자속은 전압을 주파수로 나눈 값에 비례한다. Φ ∝ V/f다. 주파수 슬라이더를 낮춰 보라. 전압을 그대로 둔 채라면 자속이 어디로 가는지, 포화 임계(빨강 영역)에 닿는지 먼저 예측하라.

속도의 세 손잡이

회전자 속도는 N = (1 - s)·120f/P다. 속도를 바꾸는 길은 슬립 s, 주파수 f, 극수 P 셋뿐이다. 슬립 제어(고정자 전압을 낮추거나 권선형에 저항을 넣음)는 간단하지만 슬립 손실이 커지고 조절 범위가 좁다. 극수 제어는 권선을 바꿔치기해 2:1처럼 띄엄띄엄만 가능하다. 주파수 제어는 넓고 연속적이라 오늘날 가변속의 주역이지만, 한 가지 단서가 붙는다.

주파수를 바꾸면 전압도 따라가야 한다

고정자 전압은 거의 유기기전력과 같고 V ≈ 4.44 f N1 Φ이다. 여기서 자속을 풀면 Φ ∝ V/f가 나온다. 주파수만 낮추고 전압을 그대로 두면 자속이 커져 철심이 포화하고, 여자 전류가 폭주하며 과열한다. 그래서 전압을 주파수에 비례해 낮춰 V/f를 일정하게 유지한다. 그러면 자속이 일정하고, 토크 능력도 유지되는 정토크 영역이 된다. 정격 주파수 위로는 전압을 더 올릴 수 없어(전압 한계) 자속이 떨어지고, 토크는 줄지만 출력은 유지되는 정출력(약자속) 영역이 된다.

기동 전류는 누르고, 기동 토크는 살린다

정지에서 곧장 전전압을 걸면 슬립이 1이라 기동 전류가 정격의 대여섯 배로 치솟는다. Y-Δ 기동은 처음에 권선을 Y로 이어 상전압을 1/√3로 낮춰 기동 전류와 기동 토크를 모두 1/3로 줄였다가, 속도가 오르면 Δ로 바꾼다(가벼운 부하용). 리액터나 기동보상기는 고정자에 걸리는 전압을 낮춰 전류를 줄인다. 권선형은 외부 저항으로 비례추이를 써서 기동 전류를 낮추면서 기동 토크는 오히려 키운다. 인버터 구동은 낮은 주파수에서 V/f를 지키며 부드럽게 띄워 기동 전류를 근본적으로 억제한다.

첫 화면으로 돌아가서

전압을 그대로 둔 채 주파수를 절반으로 낮추면 자속은 2배가 되어 포화로 치달았다. 고정자 전압이 곧 V ≈ 4.44 f N1 Φ이라 자속이 Φ ∝ V/f이기 때문이다. 그래서 주파수로 속도를 바꿀 때는 전압을 주파수에 맞춰 함께 낮춰 V/f를 일정하게, 곧 자속을 일정하게 지킨다. 그러면 정격 아래에서 정토크, 정격 위에서 정출력으로 토크-속도 곡선을 통째로 평행 이동시킬 수 있다. 기동도 같은 줄기다. 전전압의 큰 기동 전류는 Y-Δ로 1/3, 리액터로 전압을 낮춰, 권선형 저항으로 비례추이를 써, 그리고 인버터로 낮은 주파수에서 V/f를 지켜 다스린다. 회전자계에서 시작한 유도기의 이야기가 여기서 다룰 줄 아는 기계로 닫힌다.

여기까지가 유도기다. 3상이 회전 자기장을 빚고(C1), 회전자가 그것을 쫓되 슬립을 두고(C2), 그 슬립이 R2/s 한 항으로 등가회로에 담기고(C3), 토크가 슬립의 산을 그리고(C4), 주파수와 전압으로 그 산을 옮겨 기동과 속도를 다스렸다(C5). 다음 묶음 D는 회전자가 정확히 동기속도로 도는 동기기다. 슬립이 0인 그 기계가 어떻게 토크를 내고, 왜 역률까지 조절하는지로 넘어간다.