권선형 유도전동기란? 회전자 권선 사용 이유

권선형 유도전동기란 회전자에 3상 권선을 설치하고 Slip Ring을 통해 외부회로와 연결하는 전동기입니다. 회전자 저항으로 기동전류와 기동토크를 조절하는 원리를 알아봅니다.

권선형 유도전동기란 무엇이며 어떤 구조일까?

권선형 유도전동기(Wound Rotor Induction Motor)는 Stator뿐 아니라 Rotor에도 절연된 3상 Winding을 설치한 유도전동기입니다. 일반적인 농형 유도전동기의 Rotor가 Conductive Bar와 End Ring으로 구성되는 것과 달리 권선형은 Stator와 유사하게 Rotor Slot에 권선을 배치합니다. Rotor Winding은 일반적으로 3상으로 구성되고 그 단자가 Shaft에 설치된 Slip Ring으로 연결됩니다. 고정되어 있는 Carbon Brush가 Slip Ring과 접촉하여 회전하는 Rotor Circuit을 외부의 Resistor 또는 제어회로와 연결할 수 있도록 합니다. 정상적인 유도전동기와 마찬가지로 Stator의 3상 권선에 교류전원이 공급되면 Rotating Magnetic Field가 형성되고 이 회전자계가 Rotor Winding에 Induced EMF와 Current를 발생시킵니다. 따라서 Rotor에 별도의 구동전원을 직접 공급해서 회전시키는 것이 핵심은 아닙니다. 회전자 권선을 외부에서 접근할 수 있도록 만든 구조를 이용해 Rotor Circuit의 전기적인 특성을 조절할 수 있다는 것이 농형과 구별되는 중요한 특징입니다.

회전자에 권선을 사용하는 이유는 무엇일까?

Rotor Winding을 사용하는 핵심적인 이유는 외부에서 Rotor Circuit의 Resistance를 변화시킬 수 있기 때문입니다. 유도전동기가 정지해 있는 기동순간에는 Slip이 1에 가깝고 큰 전류가 발생할 수 있습니다. 권선형에서는 Slip Ring과 Brush를 통해 Rotor Winding에 External Resistance를 직렬로 연결할 수 있습니다. 적절한 Rotor Resistance를 추가하면 기동 시 Rotor Current의 크기와 위상관계를 변화시켜 높은 Starting Torque를 얻으면서 기동전류 특성을 조정할 수 있습니다. Motor가 가속되면 외부저항을 단계적으로 줄이고 정상속도에 가까워졌을 때 대부분 제거하거나 Rotor Circuit을 사실상 단락된 상태로 운전합니다. 여기서 저항을 무조건 크게 만들수록 Torque가 계속 증가하는 것은 아닙니다. 유도전동기의 최대 Torque가 발생하는 Slip 위치가 Rotor Resistance에 따라 이동하기 때문에 필요한 기동특성에 맞춰 적절한 저항값을 선정해야 합니다. 이러한 특성 때문에 큰 부하를 정지상태에서 움직여야 하는 설비에서 권선형 구조가 활용되어 왔습니다.

Slip Ring과 외부저항은 기동과 속도에 어떤 영향을 줄까?

Slip Ring은 회전하는 Rotor Winding과 정지된 외부회로 사이에 전기적인 연결을 제공하는 장치입니다. Motor 기동 시 External Resistor를 Rotor Circuit에 삽입하면 Starting Characteristic을 조정할 수 있으며 Motor Speed가 증가함에 따라 저항을 여러 단계로 제거하는 Rotor Resistance Starter 방식이 사용될 수 있습니다. 과거에는 외부저항을 일정부분 남겨 Rotor Slip을 증가시키고 속도를 낮추는 방식으로 Speed Control을 수행하기도 했습니다. 그러나 이 방법은 Slip에 해당하는 에너지의 상당부분이 Rotor와 External Resistor에서 Heat로 소모되기 때문에 효율적인 연속 속도제어 방법이라고 보기 어렵습니다. 또한 저항기의 열용량과 기동횟수도 고려해야 합니다. 일부 대형 Wound Rotor System에서는 Rotor 측 에너지를 회수하는 Slip Energy Recovery 방식이 사용되기도 합니다. 현대 산업현장에서는 VFD를 이용한 농형 유도전동기의 속도제어가 널리 보급되면서 단순한 저항식 속도제어의 필요성은 감소했지만 기존 대형설비나 특정 고기동토크 응용에서는 여전히 권선형 Motor를 접할 수 있습니다.

농형 유도전동기와 비교하면 어떤 차이가 있을까?

Squirrel Cage Induction Motor는 Rotor Bar의 양쪽이 End Ring으로 연결되어 있어 Rotor Circuit이 Motor 내부에서 항상 단락된 구조입니다. Brush와 Slip Ring이 없기 때문에 구조가 단순하고 견고하며 유지보수가 비교적 쉽습니다. 반면 권선형 유도전동기는 Rotor Winding, Slip Ring과 Brush가 추가되어 구조가 복잡하지만 Rotor Resistance를 외부에서 조정할 수 있다는 장점이 있습니다. 이 때문에 높은 Starting Torque가 필요한 Crane, Hoist, Mill, Crusher와 같은 일부 고관성·중부하 설비에 활용되어 왔습니다. 그러나 Brush와 Slip Ring은 마모와 오염, 접촉불량에 대한 점검이 필요하고 외부저항 방식은 손실도 발생합니다. VFD 기술이 발전하면서 농형 Motor도 부드러운 기동과 폭넓은 Speed·Torque Control이 가능해졌기 때문에 신규설비에서는 농형 Motor와 VFD 조합이 많이 적용됩니다. 그렇다고 권선형 Motor가 모든 분야에서 사라진 것은 아니며 설비용량과 부하특성, 기존 시스템 및 경제성을 종합적으로 비교해야 합니다.

권선형 유도전동기를 운전할 때 무엇을 확인해야 할까?

권선형 유도전동기를 관리할 때는 일반적인 Motor 점검항목과 함께 Slip Ring과 Brush 상태를 중요하게 확인해야 합니다. Brush가 과도하게 마모되거나 접촉압력이 적절하지 않으면 Spark, Heating과 접촉불량이 발생할 수 있으며 Carbon Dust와 오염물질도 절연성능에 영향을 줄 수 있습니다. Rotor Winding과 External Resistor의 접속상태, 저항기의 Temperature와 단계별 Switching Device도 점검해야 합니다. 기동저항이 정상적으로 제거되지 않으면 Motor가 높은 Slip 상태에서 계속 운전되어 저항기와 Rotor에 과도한 열이 발생할 수 있습니다. 반대로 기동과정에서 저항을 너무 빠르게 제거하면 원하는 Starting Torque와 Current 특성을 얻지 못할 수 있습니다. Motor 선정 시에는 Rated Power와 Voltage뿐 아니라 Starting Torque, Load Inertia, Starting Frequency와 Duty Cycle을 함께 검토해야 합니다. 결국 권선형 유도전동기는 Rotor를 권선구조로 만들어 외부회로와 연결함으로써 기동특성을 조절할 수 있도록 설계된 유도전동기이며, 높은 기동토크가 필요한 산업설비에서 중요한 역할을 해온 AC Motor입니다.