18편 – 유도전동기의 토크-슬립 특성과 전동기 운전의 본질

삼상 유도전동기를 이해할 때 가장 중심이 되는 개념을 하나 꼽으라면 단연 토크-슬립(T–s) 특성곡선이다. 이 곡선은 전동기가 정지 상태에서부터 정격 속도에 이르기까지 어떤 토크를 내며, 부하 조건에 따라 어떻게 운전점이 달라지는지를 결정하는 일종의 ‘운동학적 지도’와 같다. 아무리 기동 방식, 효율, 회전자 구조 등을 이해하고 있어도 토크-슬립 특성을 이해하지 못하면 전동기의 실제 동작을 온전히 파악하기 어렵다.

 

 

유도전동기의 미묘한 본질은 슬립이 존재해야만 토크가 발생한다는 점이다. 슬립이 0이면 회전자는 동기속도를 완전히 따라잡아 자속 변화가 없어지고, 결과적으로 유도기전력도 발생하지 않으므로 토크도 생기지 않는다. 반대로 전동기가 정지해 있을 때는 슬립이 1이 되어 최대 자속 변화를 겪고, 큰 유도전압이 발생하면서 기동토크가 만들어진다. 토크-슬립 곡선은 이러한 변화 과정을 정량적으로 보여주는데, 일반적으로 슬립이 증가할수록 토크는 선형적으로 증가하다가 최대토크(풀 로드 토크, 혹은 분기토크) 지점에서 정점을 찍고 다시 감소한다. 이 최대토크는 전동기의 구조와 전압 조건이 동일하다면 고정된 값이며, 부하 토크 특성과 만나 전동기의 실제 운전점이 정해진다.

 

전동기용 유도기에서는 특히 **기동구간(슬립 1 → 0.1 부근)**과 **정격운전구간(슬립 0.02 근방)**이 중요하다. 기동 시 슬립이 매우 크기 때문에 토크-슬립 곡선이 급격히 증가하는 구간을 지나게 된다. 이때 부하가 큰 설비라면 기동토크가 충분히 크지 않으면 전동기는 아예 회転을 시작하지 못하고 정지한 채로 과전류만 발생시키게 되므로, 앞서 배운 기동 방식 선택이 중요한 이유가 여기에 있다. 반면 정상 운전 시에는 슬립이 매우 작은 영역에서 운전되는데, 이 구간은 토크가 슬립에 거의 비례하여 변화하는 선형 영영으로, 부하가 약간 변하여도 전동기가 크게 흔들리지 않고 안정적으로 운전된다. 이것이 유도전동기가 산업 현장에서 ‘기계적 안정성’을 가진다고 평가받는 이유다.

 

토크-슬립 특성에서 또 하나 핵심 개념은 최대토크는 전압의 제곱에 비례한다는 점이다. 즉, 공급 전압이 10%만 낮아져도 최대토크는 약 19% 감소한다. 이는 전동기 기동 실패, 과도한 발열, 부하 설비의 움직임 저하 등 여러 문제를 일으킬 수 있다. 또한 최대토크가 발생하는 슬립 위치는 회전자 저항에 따라 달라지는데, 저항이 커질수록 최대토크 지점이 슬립이 큰 방향으로 이동한다. 이 특성은 권선형 유도전동기에서 회전자 저항을 조정하여 기동토크를 크게 만드는 데 활용된다(17편에서 다룬 슬립 링 저항 기동). 반대로 저항이 너무 증가하면 효율이 떨어지고 발열이 증가하므로, 최적의 운전 조건을 잡는 것이 항상 중요하다.

 

결국 토크-슬립 곡선은 단순한 그래프가 아니라 전동기의 정지 → 기동 → 정상운전에 이르는 모든 상태 변화를 통합적으로 설명해주는 핵심 도구다. 전기기사 시험에서는 최대토크 공식, 전압 변화와 토크의 관계, 회전자 저항 증가에 따른 곡선 이동 등 다양한 형태로 출제되며, 특히 전동기의 기동 실패 원인과 운전 안정성 판단 문제에서 자주 등장한다. 현장에서는 부하 토크 곡선과 전동기 토크-슬립 곡선을 겹쳐서 실제 운전점을 판단하는 작업을 수행하는데, 이는 기계 설비의 안전성, 설비 선택의 정확성, 유지·보수 전략까지 결정하는 매우 실용적인 지식이다.

 

유도전동기의 모든 응용은 토크-슬립 특성 이해에서 출발한다. 이 곡선을 머릿속에 정확히 그려낼 수 있다면, 전동기 설계와 운전의 절반 이상을 이해한 셈이며, 이후 배우게 될 단상 유도전동기·동기전동기·직류기의 동작 특성을 비교하는 데에도 강력한 기준점이 될 것이다.