전기기사 이론 정리 8편 – 유도기 원리와 토크의 비밀

전기기사를 공부할 때 유도기는 가장 핵심적인 챌린지 중 하나로 많은 수험생들이 처음 접할 때 어려움을 느끼는 영역이지만, 실제로 그 원리를 차근차근 이해하면 매우 논리적이고 흥미로운 구조를 가진 기계라는 것을 발견하게 된다. 유도기, 특히 삼상 유도전동기는 현대 산업에서 없어서는 안 될 존재로, 공장 자동화 설비, 엘리베이터, 펌프, 컨베이어 시스템 등 모든 곳에서 동작하고 있기 때문에 전기기사 시험에서도 높은 비중을 차지한다.

 

 

유도기의 기본 원리는 고정자에 삼상 교류를 공급하면 고정자 내부에 회전하는 자기장이 만들어지고, 이 회전 자기장이 회전자 도체를 절단하면서 유도기 내부에서 전압과 전류가 자동으로 생성되는 구조로 되어 있다. 그래서 유도기는 ‘유도되어 돌아가는 전동기’라는 의미를 갖고 있으며, 외부에서 별도의 전원을 회전자에 직접 공급하지 않는다는 점에서 직류기나 동기기와는 크게 구별된다. 이 고정자의 회전자기장은 이론적으로는 동기속도로 회전하며, 회전자는 이 자기장을 따라잡기 위해 계속 운동하려 하지만 절대로 완전히 동일한 속도로 회전하지 못하게 된다. 만약 동일한 속도로 회전하게 되면 회전자 도체가 움직이는 자기장을 더 이상 절단하지 않게 되고 전압이 유도되지 않아 전류가 흐르지 않고, 따라서 토크(회전력)가 사라지기 때문에 다시 감속될 수밖에 없다. 이때 발생하는 속도의 차이를 슬립이라 부르며, 이 슬립이 있기에 유도기는 스스로 전압을 만들고 전류를 흐르게 하며 회전력을 유지할 수 있게 되는 것이다.

 

또한 유도기의 중요한 특징 중 하나는 토크-슬립 곡선인데, 슬립이 0에 가까운 정상운전 영역에서는 부하에 대응해 적절한 토크를 내면서 안정적으로 운전되며, 슬립이 증가할수록 전류도 증가하고 토크도 어느 한 순간까지는 증가하다가 최대토크에 도달하게 된다. 이 최대토크는 전압에 비례해 크게 변하고, 모터의 설계에 따라 특성이 달라지는 부분이라 시험에서도 자주 등장하는 개념이다. 간혹 수험생들이 헷갈리는 부분 중 하나가 기동 시 슬립이 1에 가깝다는 점인데, 처음에는 회전자가 정지해 있으므로 동기속도와의 차이가 매우 크기 때문에 슬립이 거의 100%이며 이때 유도기는 매우 큰 기동전류를 흘리면서 첫 회전을 시작하게 된다. 그래서 대용량 유도기에서는 직접 기동(DOL)을 사용하면 전원계통에 큰 부담을 주기 때문에 Y-Δ 기동이나 리액터 기동, 소프트스타터 등의 기동방식이 활용되며, 전기기사에서도 기동방식의 장단점과 원리가 매우 중요하게 다뤄지는 이유가 된다.

 

유도기의 구조도 전기기사 시험에서 빠지지 않고 등장한다. 고정자 철심은 규소강판을 적층하여 철손을 줄이는 방식으로 제작되고, 회전자에는 주로 농형(rotor bar)으로 불리는 스쿠릴 케이지 구조가 사용된다. 마치 다람쥐가 도는 바퀴처럼 생겼다고 해서 스퀴럴 케이지라 불리는 구조는 단순하면서도 내구성이 높아 대부분의 산업용 유도기에 쓰인다. 반면 권선형 회전자는 외부 저항을 연결할 수 있도록 미끄럼 rings와 브러시가 붙어 있으며, 기동 토크를 높이기 위해 특정 산업에 사용되기도 한다. 이러한 회전자 구조의 차이 또한 시험에서 빈출되므로 반드시 구별해야 한다.

 

또한 유도기의 손실은 구분해서 외워야 하는데, 전동기 안에서 발생하는 동손, 철손, 마찰손, 풍손 같은 것들이 있으며, 이는 효율과도 직결되는 요소들이다. 전압이 떨어지면 토크도 전압의 제곱에 비례해 감소하는 특성을 가지고 있어 실제 산업에서는 전압 안정화가 매우 중요하다는 점, 역률이 낮아지면 전류가 불필요하게 많아져 손실이 증가한다는 점 또한 기억해둘 필요가 있다. 유도기는 단순히 ‘돌아가는 전동기’가 아니라 전자기학, 회로이론, 기계적 운동이 종합적으로 얽힌 기계라는 점에서 전기기사에서 가장 공을 들여야 하는 파트 중 하나이지만, 원리만 제대로 이해하면 흐름을 잡는 데 큰 도움이 되고 계산문제도 자연스럽게 접근할 수 있게 된다. 이것이 바로 유도기가 어렵지만 동시에 매우 매력적인 이유이다.