권선형 로터 유도 모터: 설계, 장점 및 가변 속도 응용

권선형 로터 유도 모터는 다람쥐꼴 모터와 동일한 고정자를 가지지만, 회전자에 슬립링과 브러시를 통해 빠져나오는 절연 권선이 있습니다. 슬립링에 전력을 공급하는 일은 절대 없지만, 시동 시 중요한 역할을 합니다: 회전자 권선에 직렬 저항을 삽입할 수 있게 합니다. 모터가 운전 속도에 도달하면 이 저항은 단락되어, 회전자가 전기적으로 다람쥐꼴 회전자처럼 동작하게 됩니다.

왜 회전자에 직렬 저항을 삽입하는가?

대형 다람쥐꼴 모터는 시동 시 정격 부하 전류의 500~1000%를 끌어당길 수 있습니다. 추가된 저항은 고정 회전자 전류를 크게 줄이고, 더 중요하게는 시동 토크를 증가시킵니다. 회전자 저항이 R₀에서 R₁을 거쳐 R₂로 증가함에 따라, 브레이크다운 토크 피크가 좌측으로 이동하여 영 속도에서 최대에 도달합니다. 이 정지 상태에서의 높은 토크는 고관성 부하 시동에 필수적입니다.

직렬 저항이 최대 속도에서의 가용 토크를 낮추지만, 회전자가 가속된 후 저항이 제거됩니다. 시동 중 발생한 열은 시동 저항에서 외부적으로 소산되어 모터 본체를 더 차갑게 유지합니다.

권선형 로터 모터의 단점은 브러시와 슬립링으로 인한 추가 복잡성과 유지보수 필요성입니다.

이 모터 구성은 무거운 고관성 부하 시동에 이상적입니다. 높은 시동 저항으로 피크 풀아웃 토크가 영 속도에서 즉시 사용 가능합니다. 이는 피크 토크가 동기 속도의 80% 근처에서만 나타나는 다람쥐꼴 모터와 대조됩니다.

속도 제어

시동 후 회전자 회로에 가변 저항을 재도입하여 모터 속도를 제어할 수 있습니다. 저항을 증가시키면 회전자 전류가 감소하여 속도가 떨어집니다. 그러나 높은 시동 토크와 이동된 브레이크다운 토크는 저속에서만 존재합니다. 고속에서는 다람쥐꼴 모터와 유사하게 동작합니다.

일반적인 저항 값은 R₀, R₁, R₂, R₃으로 표시되며, 0에서 최댓값으로 증가합니다. R₃에서 더 높은 저항으로 속도를 추가로 낮출 수 있습니다. 속도 제어는 50~100% 정격 속도 범위에서 최적이며, 엘리베이터와 인쇄기 같은 가변 속도 부하에서 잘 작동합니다.

이중 여자 유도 발전기(DFIG)

권선형 로터 모터가 동기 속도 이상으로 구동되면 발전기로 동작할 수 있습니다. 고정자와 회전자 모두 전기적으로 접근 가능하므로, 이 기계는 고정자만 연결되는 단일 여자 버전과 달리 이중 여자 유도 발전기(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)로 불립니다.

DFIG는 동기 속도 대비 ±30~50% 범위에서 속도를 변화시킬 수 있습니다. 회전자 회로에 저항을 삽입하면 과속 시 초과 에너지를 흡수하고, 저속 시 음의 저항으로 추가 에너지를 공급할 수 있습니다. 실제로는 저항을 전력 컨버터로 대체하여 회전자에서 에너지를 공급하거나 추출함으로써 전체 효율을 개선합니다.

이 구성에서 회전자는 고정자에 전력을 "차입"하거나 공급할 수 있어, 발전기가 속도가 동기 속도에서 벗어나도 60Hz 출력을 유지할 수 있습니다. 이론적으로 무손실 DFIG는 기계적 전력의 정확히 100%를 계통에 전달하지만, 실제로는 회전자의 기여로 가상 출력이 기계적 입력의 약 130%까지 증가할 수 있으며, 초과 에너지는 컨버터가 흡수하거나 공급합니다.

권선형 로터 유도 모터의 핵심 특징

• 무거운 고관성 부하를 위한 높은 시동 토크
• 다람쥐꼴 모터보다 낮은 시동 전류
• 회전자 저항으로 50~100% 정격 속도 범위에서 속도 조절 가능
• 브러시와 슬립링 필요로 다람쥐꼴 설계보다 유지보수 증가
• 발전기로 사용 시 가변 속도 이중 여자 유도 발전기(DFIG)가 됨

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