전동기 와이-델타 기동 및 열 제한 곡선, 토크 곡선

산업체에서 가장 많이 사용하는 유도전동기의 특징을 조금 알아보고자 하는데요, 유도전동기의 특성을 이해하기 위해 기본적인 속도-토크 곡선은 전동기의 응동을 이해하는 데 많은 도움이 됩니다.  

■ 전동기 토크-속도 곡선

  전동기에 전원이 투입되면서 부하를 가속시켜 정상운전시 까지의 속도와 토크와 관계를 나타내 줍니다.

 

- 기동 토크(Starting Torque) : 고정자권선의 정격전압, 주파수에서 전동기의 회전자가 회전하기 위해 발생하는 토크 즉 필요한 회전력(요구되는 회전력)을 말합니다. 이는 자전거를 탈 때 처음 자전거가 굴려가기 위해, 페달을 발로 힘껏 밟아줘야  바퀴가 회전하듯, 바퀴 회전을 위해 필요한(전동기 회전자 회전을 위해 필요한) 힘을 말합니다. 여기서 기억해야 할 일은 전동기를 구매할 때, 기동토크(회전력)가 얼마나 필요한지는, 전동기가 부담해야 하는 부하의 특성이 팬 또는 펌프인지에 따라서 NEMA 규격에 맞춰 필요한 토크를 갖춘 전동기를 구매를 해야 합니다.

-  최소토크(Pullup Torque) : 전동기가 정지상태로부터 최대 토크 전에 도달하는 최소 토크이다. 왜 토크가 감소할까라는 생각으로 구글을 검색해보니, Allen Bradely에서 나온 자료에 의하면, 전동기가 슬롯에 집중권으로 설치되어 있어 발생한 고조파 때문에 이런 현상이 발생한다고 나와 있군요. 그러나 전동기가 분포권으로 되어 있다면, 기동토크가 감소하지 않고 계속 유지된다고 되어 있군요.

- 최대토크(Breakdown Torque) : 고정자권선 정격전압, 주파수에서 급격한 속도 변화없이 전동기가 발생할 수 있는 최대토크를 말하는데, 토크-속도곡선에서 보면 부하를 증가시켜 가면 슬립이 커지고 전동기는 더 이상 부하를 감당할 수 없게 되어 정지하기 바로 직전의 토크값을 최대토크라 합니다. 실제 전동기 설계는 아래 그림에서 보는 것 처럼 부하가 필요한 부하토크보다 10-20% 높게 설계합니다. 또한 기동되면서 필요한 토크는 아래 사선 부위정도 요구되며 최대토크까지는 안가고 Tr정도 범위에서 기동이 됩니다.

출처 : Industrial Power Engineering and Applications Handbook

■ 전동기 와이-델타 기동(star-delta)

 전동기를 기동할 때는 스위치를 기동(Y) 측으로 닫아서 권선에 흐르는 기동전류를 감소시키고, 전동기의 속도가 정격속도에 이르면 스위치를 운전(△) 측으로 전환하여 운전을 계속하는 방식입니다.
 기동시 Y결선으로 하면 각 상의 권선에는 정격전압의 의 전압이 가해져 △결선으로 기동할 때에 비해 전동기 내부에는 배의 전류가 흐르고,  전동기 외부의 전선에는 1/3배의 전류가 흘러서 기동전류가 제한된다, 반면에 기동 토크도 역시 1/3로 감소한다.[ 출처 : 발전교육원 전기설비실무] 아래 그림처럼 변화를 볼 수 있습니다.

출처 :Induction Machines Design Handbook 

 

■ 전동기 열제한 곡선(Motor Thermal Limit Curves)

   전동기 시간-온도곡선으로, 전동기가 기동 또는 운전될 때 열적으로 손상되지 않는 범위를 나타내는 것으로, 보호계전기가 보호할 범위를 선정할 때도 활용한다.

아래 링크를 보시면, Stephen J. Chapman이 쓴 Electric Machinery Fundamentals이라는 책의 일부분이 인용되어 있는데, NEMA Code에 따른 전동기 Type에 되어 나와있습니다. 

http://www.mhhe.com/engcs/electrical/chapman/fundamentals/ind_motor.pdf