19편 – 단상 유도전동기의 회전자기 원리와 기동 방식의 모든 것

유도전동기라고 하면 대부분은 삼상 전원을 사용하는 삼상 유도전동기를 떠올리지만, 실제로 우리의 생활 환경 속에서 가장 많이 쓰이는 전동기는 바로 단상 유도전동기이다. 냉장고, 세탁기, 에어컨 실내기, 선풍기, 보일러 펌프, 작은 공조 장비까지 대다수의 가정·상업용 기계가 단상 전원만을 공급받기 때문에 단상 유도전동기는 산업 현장에서 삼상 전동기만큼이나 중요한 위치를 차지한다.

 

 

그러나 단상 유도전동기는 삼상과 달리 전원을 하나만 사용하기 때문에 ‘회전자기’가 자연스럽게 만들어지지 않는 구조적 한계를 갖는다. 이 한계를 극복하는 과정이 바로 단상 전동기의 원리를 이해하는 핵심이며, 전기기사 시험에서도 이 부분을 집중적으로 묻는다.

단상 유도전동기의 가장 큰 특징은 정지 상태에서는 토크가 0이라는 사실이다. 삼상 전동기는 회전하는 자기장을 이용해 자동으로 회전하려고 하지만, 단상 전동기에서는 단상 전원의 자계가 시간에 따라 커졌다 작아지는 형태(맥동 자계)를 만들 뿐, 어떤 방향으로 회전해야 한다는 ‘지시성’을 주지 못한다. 그래서 단상 전동기를 전원에 바로 연결하면 로터가 스스로 회전하지 못하고, 심지어는 양 방향 중 어느 쪽으로든 쉽게 돌아가려고 하지 않는다. 정지 상태에서 토크가 발생하지 않는 구조적 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 **보조 권선(기동권선)**과 위상차 생성 장치이다.

 

단상 유도전동기는 기본적으로 주권선(Main Winding)과 보조권선(Auxiliary Winding)을 사용한다. 주권선은 강한 자속을 만들어 지속적인 구동을 담당하고, 보조권선은 기동 시에만 위상차를 만들어 회전 자계를 흉내내는 역할을 한다. 이때 보조권선에 흐르는 전류의 위상을 변화시키기 위해 기동 콘덴서나 기동 저항, 또는 셰이딩 코일(Shading Coil) 같은 장치를 사용하게 되는데, 선택 방식에 따라 전동기의 특성도 크게 달라진다.

 

가장 대표적인 구성은 콘덴서 기동형(Capacitor Start)이다. 이 방식은 보조권선에 큰 용량의 기동용 콘덴서를 달아 약 80~90도의 위상차를 만들고, 강력한 기동 토크를 확보한다. 기동 후에는 원심 스위치나 릴레이에 의해 보조권선이 회로에서 제거되므로, 정상 운전 시에는 주권선만으로 동작한다. 이 구조는 기동 토크가 크고 안정적이어서, 콤프레서, 펌프, 냉각기, 난방기와 같은 부하가 큰 장비에서 널리 사용된다.

 

반면 연속적으로 보조권선을 사용하여 토크 특성을 향상시키는 방식이 콘덴서 기동·운전형(Capacitor Start and Run)이다. 이 방식에서는 기동용 콘덴서 외에 운전용 콘덴서를 병렬로 설치하며, 전동기가 회전 중일 때도 위상차를 계속 유지해 효율을 높인다. 똑같은 단상 전동기라 해도 이 방식은 정숙성, 토크 균형, 전압 변동 대응력에서 뛰어난 성능을 보여준다. 에어컨 실내기나 공조장치처럼 장시간 안정 운전이 필요한 곳에서 선호된다.

 

기동 토크가 크지 않아도 되는 아주 작은 가전기기에는 셰이딩 코일 방식(Shaded Pole)이 사용된다. 철심의 일부에 구리 링을 감아, 그 부분에서 자기장의 시간 지연을 발생시키는 방식인데, 구조가 단순하고 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 효율이 낮고 토크가 약하기 때문에 선풍기, 히터의 팬 모터, 소형 환풍기처럼 가벼운 부하에서만 사용할 수 있다.

 

단상 유도전동기의 운전 속도는 삼상과 마찬가지로 슬립에 의해 결정된다. 하지만 단상 전동기의 경우 슬립이 비교적 크게 나타나는 편이며, 부하 변동에 민감한 특성을 갖는다. 이 때문에 부하가 갑자기 증가하면 회전 속도가 눈에 띄게 떨어지며, 일시적으로 소음 또는 진동이 발생할 수 있다. 또한 콘덴서 고장이나 보조권선 단선은 전동기가 기동조차 못하게 만드는 중요한 고장 요인이므로 현장에서 자주 점검하는 요소이다.

 

결국 단상 유도전동기의 본질은 삼상의 장점을 단상 환경에서 흉내 내어 회전 자계를 만들어내는 기술이라고 볼 수 있다. 회전 자계를 완벽하게 구현할 수 없다는 구조적 한계 때문에 효율과 토크는 삼상에 비해 떨어지지만, 단상 전원이 절대적으로 많은 현실 환경에서는 없어서는 안 될 전동기이다. 전기기사 시험에서는 기동 방식의 종류와 구조, 콘덴서 방식의 차이, 셰이딩 코일의 원리, 위상차 생성 방식 등 핵심 개념을 중심으로 자주 출제되므로 반드시 정리해야 하는 중요한 파트다.