1. 전동기의 출력이란?
전동기의 축에서 낼 수 있는 동력.
즉, 출력(Output)이 어느 정도인가를 명판에 와트(W) 또는 킬로와트(kW)의 단위로 나타낸다.
출력은 단위 시간에 전동기가 할 수 있는 일의 양을 나타내는 것으로 1W는 1초간에
1m 1주울(J)=1(N·m)=1/9.8(kgf·m)의 일을 하는 능력을 나타낸다.
1W의 전동기는 1 뉴턴(N) (1/9.8kgf)의 힘에 저항하면서 물체를 1초간에 1m의 비율로 계속 움직일 수 있는 능력이 있다.
1(kW)=1,000(W)이다. 이전에는 출력의 단위에 마력(Hp)이 사용되었는데, 1(Hp)=746(W)이다.
명판의 출력란에 나타낸 숫자는 그 전동기가 명판 기재의 정격 전압 및 정격 주파수 하에서 연속으로 운전할 수 있는
출력의 값이며, 그 이상은 낼 수 없다는 최대 출력의 값은 아니다.
정격 출력의 상태를 전부하, 공회전 상태를 무부하, 그리고 정격 출력 이상의 상태를 과부하라고 한다.
2. 전동기의 입력과 역률
전동기가 그 축에서 어떤 출력을 내면서 운전하고 있을 때는 그 기계적 에너지에 상당하는 전기적 에너지가 단자로부터
들어오고 있다. 즉, 전력이 들어오는데, 이 것을 입력 (Input)이라고 한다.
입력의 단위는 출력과 마찬가지로 (W) 또는 (kW)로 표시된다.
원래, 전력은 전압과 전류의 곱이다.
직류 전동기의 경우는 명판 기재의 정격 전압(V)과 정격 전류(A)의 곱이 정격 운전시의 입력(W)이 된다.
그러나 교류 전동기인 경우의 입력은 이것에 역률을 곱해주어야 한다.
단상의 전동기는
Pi = VI cosΦ(W)
V : 정격 전압(V)
I : 정격 전류(A)
cosΦ : 정격 전류일 때의 역률 (퍼 유니트값)
3상 교류의 전동기는
Pi = 3 VΦIΦ cosΦ(W) = √3 VI cosΦ(W)
V : 정격 전압(V) , VΦ : 상전압(v)
I : 정격 전류(A) , IΦ : 상전류(i)
cosΦ : 정격 전류일 때의 역률 (퍼 유니트값)
교류의 경우는 VI 또는 √3 VI 가 모두 유효 전력이 되지 않고 역률을 곱한 값이 유효한 전력이 된다.
3. 전동기의 효율
입력 모두가 출력으로 바뀌는 것이 아니라 입력의 일부는 전동기 내에서 손실로서 소비되고,
그 나머지가 출력으로서 나오게 된다. 출력 Po는
Po = Pi - - Wloss = ηPi
Pi : 입력, W : 손실, η : 효율
효율은 출력과 입력의 비로 표시된다.
η = Po / Pi (퍼 유니트값)
손실은 전동기가 운전중에 가열되는 원인이 된다.
출력과 입력의 관계의 정리 이상 설명한 것을 요약하면
단상 유도 전동기의 출력 Po = ηPi = VlηcosΦ
3상 유도 전동기의 출력 Po = ηPi = √3 VIηcosΦ
4. 전동기의 회전속도 슬립
전동기가 정격 전압.
정격 주파수 하에서 정격 출력을 내면서 운전하고 있을 때의 매분의 회전수를 정격 회전 속도라고 한다.
(RPM = revolution per min)
전동기의 내부에는 몇 개의 자극이 형성되는데 1쌍의 자극이 생기는 것을 2극, 2쌍의 자극이 생기는 것을 4극,
3쌍의 자극이 생기는 것을 6극 이라 한다.
3상 권선에 3상 교류를 흘리면 극수에 따라 자극이 생기고, 이것이 전류의 교번과 더불어 회전한다.
이와 같이 코일이 정지하고 있고, 자극만이 회전하는 것을 회전 자장이라고 부른다.
이 회전 자장은 반사이클 마다 다음의 극으로 이동하기 때문에 자장이 회전하는 동기 속도는
Ns = 120f / P (rpm)
f : 주파수 (Hz), P : 극수
유도 전동기는 무부하에서는 거의 Ns와 같은 (엄밀히 말하면 약간 느린)속도로 회전자가 회전하지만,
부하를 걸면 회전 속도가 수 % 느려진다. 이것을 슬립 (slip) 이라고 한다.
예를 들면 p = 4, f = 60(Hz) 이면 동기 속도는
Ns = 120 x 60 / 4 = 1800 (rpm)
정격 회전 속도 1720 (,Pm)(220v의 경우)이므로 슬립은
Slip = (1800-1720) / 1800 = 0.044
즉, 4.4% 이다.
5. 전동기 출력을 구하는 방법
1) 힘과 속도에 의한 방법
P = Fv / η (W)
F = 힘 (N)
v = 속도 (m/s)
η = 기계효율
전달장치의 효율
기어 1단당 : 0.93 ~ 0.96
웜기어 1단당 : 0.85 ~ 0.90
벨트 : 0.96 ~ 0.97
전동기 출력은 계산값에서 10 ~ 20% 여유를 둘 것.
2) 수직 권상동력
P = 9.8 Wv / η (W)
W = 중량 (kg)
v = 속도 (m/s)
η = 효율 (0.8정도)
3) 수평 주행동력
P = 9.8μ Wv / η (W)
W = 중량 (kg)
v = 속도 (m/s)
μ = 주행저항계수 (kg/kg),
상태가 좋은 도로 : 0.01 ~ 0.03
자갈길, 악도로 : 0.1 ~ 0.2
차륜이 없는 경우는 마찰계수
η = 효율 (0.7 ~ 0.9 정도)
4) 경사 주행동력
5) 토오크와 각속도
P = 9.8 T ω / η = 1.027 T n / η (W)
T = 토오크 (kg.m)
ω = 각속도 (rad/s)
n = rpm
η = 효율
6) 유체이송
P = 9.8 M h / t η (W)
M = 유체무게 (kg)
h = 높이 (m)
t = 시간
6. 콘덴서 기동형과 콘덴서 기동용 콘덴서형
1) 콘덴서 기동형
① 기동권선 회로에 직렬로 콘덴서를 연결해서 주권선의 지상전류와 콘덴서의 진상전류로 인해 두 전류 사이의 상차각이
커져서 분상 기동형보다 더 큰 기동토크를 얻을 수 있도록 한 것이다.
② 콘덴서 기동형 전동기는 다른 단상 유도전동기에 비해서 효율과 역률이 좋고, 진동과 소음도 적기 때문에 운전상태가
양호하다.
③ 정격은 일반으로 1마력 정도가 많이 쓰이나 크게는 10마력까지도 사용된다.
2) 콘덴서 기동용 콘덴서형
① 이는 기동방식은 콘덴서 기동형과 동일하나 기동용 콘덴서(A)와 운전용 콘덴서(B)를 사용한다는 점이 다르다.
② 기동할 때는 A와 B가 동시에 병렬로 투입되어 큰 정전용량으로 기동하고 기동이 끝나면 B는 원심력 스위치에 의해서
분리되나 B는 그냥 남아서 전동기의 역률을 개선한다.
③ 단상 유도전동기는 토크의 순시값이 맥동하여 진동 및 소음이 생기기 쉬우나 콘덴서 기동 전동기는 거의 원형에 가까운
회전자계가 생기므로 소음, 진동 측면에서 운전상태가 매우 양호하다.
④ 일반적으로 기동용 콘덴서는 전해콘덴서를 사용하고 운전용은 유입콘덴서를 사용한다.