개념 한 쪽
유도전동기의 속도는 전원주파수에 따라 달라진다. 주파수를 바꿔 속도를 조절할 때 전압과 주파수의 비를 어떻게 유지하느냐가 토크와 출력의 성질을 정한다. 선박이나 전기자동차처럼 넓은 범위의 연속 속도제어가 필요한 곳에서 이 방식이 쓰인다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「주파수에 의한 제어」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 정토크 영역 출력 관계 | 1 | V/f 일정·정격 이하에서 출력과 주파수의 비례 관계 판정 |
| 구동용 적합 제어 방식 | 1 | 선박·전기차 구동에 알맞은 속도제어 방식 고르기 |
| 선박 추진 속도제어 | 1 | 연속·대범위 제어가 필요한 선박 추진용 제어 방식 가리기 |
유도전동기의 회전 속도는 동기속도 Ns = 120f/P로 결정된다. f는 전원주파수, P는 극수다. 주파수를 연속적으로 바꾸면 속도도 연속적으로 조절할 수 있으므로, 인버터 같은 주파수 변환장치로 전원주파수를 가변하는 방법이 속도제어의 중심이 된다.
토크는 자속의 크기에 좌우되고, 자속은 전압을 주파수로 나눈 값에 비례한다. 그래서 주파수를 바꿔 속도를 조절하면서 자속을 일정하게 유지하려면 전압도 주파수에 비례해 함께 바꿔야 한다. 이것이 V/f 일정 제어이며, 주파수를 절반으로 낮추면 전압도 절반으로 낮춘다. 전압을 그대로 두고 주파수만 낮추면 자속이 커져 철심이 자기포화된다.
V/f를 일정하게 유지하면 자속이 일정해지고 토크도 일정하게 유지된다. 정격속도 이하 구간이 바로 이 정토크 제어 영역이다. 출력은 토크에 회전속도를 곱한 값이고 회전속도는 주파수에 비례하므로, 정토크 영역에서 출력은 주파수에 비례한다. 반대로 정격속도 이상에서는 전압을 더 이상 올릴 수 없어 출력이 일정한 정출력 제어가 되고 토크는 주파수에 반비례해 줄어든다.
선박 추진용이나 전기자동차용 구동전동기는 출발부터 최고속까지 속도를 끊김 없이 연속적으로, 효율 높게 바꿔야 한다. 주파수 제어는 넓은 범위의 연속 속도제어와 고효율을 동시에 만족하므로 이런 용도에 가장 알맞다. 극수변환은 속도가 단계적으로만 변하고, 2차 저항 제어는 권선형 유도전동기 전용이며 저항 손실이 커서 대용량 추진에는 부적합하다.
정토크 영역의 출력과 주파수 관계를 묻는 문제의 풀이를 살펴본다.
조건은 전압 대 전원주파수의 비율을 일정하게 유지하면서 정격 회전수를 넘지 않는 범위에서 회전수를 조절하는 경우다. V/f 일정이면 자속과 토크가 일정하다. 출력 P = 토크 × 회전속도이고 회전속도는 주파수 f에 비례하므로, P ∝ f가 된다. 주파수를 낮춰 천천히 돌리면 출력도 그만큼 줄어든다. f²에 비례한다거나 주파수와 무관하다는 보기는 정출력 영역과 혼동하게 만드는 오답이다.
관계를 묶으면 "정격 이하 = 정토크(P∝f), 정격 이상 = 정출력(T∝1/f)"이 된다.
3상 유도전동기의 전원주파수와 전압의 비가 일정하고 정격속도 이하로 속도를 제어하는 경우 전동기의 출력 P와 주파수 f와의 관계는?
정답 ① · 3상 유도전동기의 VVVF(전압/주파수 비 일정) 제어에서 정격속도 이하 영역은 정토크 제어 영역입니다. 토크 가 일정하게 유지되므로 출력 이고, 가 일정하면 가 성립합니다(정격속도 이상 정출력 제어 영역에서는 반대로 ).
V/f 일정 제어의 정격 이하 구간은 정토크 영역이라 출력은 P=Tω∝f가 된다.
선박추진용 및 전기자동차용 구동전동기의 속도제어로 가장 적합한 것은?
정답 ④ · 선박추진용·전기자동차용 구동전동기는 넓은 범위의 연속적인 속도제어와 높은 효율이 요구되므로, 인버터를 이용해 전원주파수를 가변시키는 주파수제어(VVVF 제어)가 가장 적합합니다. 극수변환은 단계적(불연속적) 속도제어만 가능하고, 전압제어나 저항제어는 제어범위가 좁거나 손실이 커서 대용량 구동에는 부적합합니다.
선박·전기차 구동기는 넓은 연속 제어와 고효율 필요 → 인버터 전원주파수 제어(VVVF)가 가장 적합.
선박의 전기추진용 전동기의 속도제어에 가장 알맞은 것은?
정답 ① · 선박 전기추진용 전동기는 넓은 범위의 연속적인 속도제어와 우수한 응답성이 필요하여 주파수 변환(인버터 등)에 의한 속도제어가 가장 적합하다. 동기속도 에서 극수를 바꾸는 극수변화법은 단계적 제어만 가능하고, 2차저항제어는 유도전동기 권선형에 국한되며 효율이 낮아 대용량 선박 추진에는 부적합하다.
선박 추진은 넓은 연속 속도제어가 핵심 → 동기속도 Ns=120f/P에 따른 주파수 제어가 최적이다.
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