[논문]자기포화 특성을 고려한 단상유도전동기의 등가회로 해석

김영선

doi:10.5370/kiee.2013.62.2.270

자기포화 특성을 고려한 단상유도전동기의 등가회로 해석
Equivalent Circuit Analysis of Single Phase Induction Motor Considering Magnetic Saturation Characteristics 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.2, 2013년, pp.270 - 277

김영선 (중부대학교 전기전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Single phase induction motor(SPIM) is used widely because it is driven by single phase source. However, the efficiency of the motor is not good due to saturation of magnetic material. To analyze the motor accurately, the magnetic saturation characteristics should be considered in analysis of equivalent circuit. In this paper, lumped parameter of circuit are derived from multi phase induction motor using method of symmetrical coordinates. Also, we presents a method for the equivalent circuit analysis of SPIM using magnetic saturation rate. The magnetic nonlinearity is considered deriving magnetizing reactance from voltage-current saturation curve. As a results, current characteristic, torque, output and efficiency are shown through analysis of equivalent circuit. A simulation results of SPIM will be used to improve the characteristics and efficiency of motor.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

단상 유도전동기의 회로정수를 이용하여 등가회로를 구성 하고 포화계수를 이용하여 포화특성을 고려한 단상유도전동기 해석을 수행하였다. 해석 대상 전동기는 John H.
본 논문에서는 단상 유도전동기의 등가회로에 사용되는 회로정수를 다상(2상) 유도전동기에 회전자계설 기반의 대칭좌표법을 적용하여 도출하였다. 또한, 단상 유도전동기의 정상분(forward sequence)과 역상분(backward sequence) 회로가 동시에 존재하는 등가회로를 해석하는데 포화계수 (saturation rate)를 이용하여 포화특성을 고려한전동기 특성 해석을 하였다. 해석 결과로는 2차 저항의 변화에 따른 토크특성과 1차, 2차 전류, 전기적 출력, 기계적 출력 및 효율 등을 해석하였다.
역상분 2차 전류와 전압강하는 식 (23) 및 (24)와 같다. 마지막으로 전체 전압 강하의 크기가 인가전압의 크기와 같게 되도록 상기의 식들을 정상분 여자전압을 반복하여 계산한다.
본 논문에서는 다상 유도전동기로부터 대칭좌표법을 이용 하여 단상 유도전동기의 회로정수를 유도했으며, 전압과 전류의 포화특성을 등가회로 해석에 반영하였다. 이러한 해석 방법은 단상 유도전동기의 설계나 특성 해석시 복잡하고 시간이 오래 걸리는 구조해석과 달리 쉽고 빠르게 반복적인 계산을 통하여 특성을 알아 볼 수 있다.
본 논문에서는 단상 유도전동기의 등가회로에 사용되는 회로정수를 다상(2상) 유도전동기에 회전자계설 기반의 대칭좌표법을 적용하여 도출하였다. 또한, 단상 유도전동기의 정상분(forward sequence)과 역상분(backward sequence) 회로가 동시에 존재하는 등가회로를 해석하는데 포화계수 (saturation rate)를 이용하여 포화특성을 고려한전동기 특성 해석을 하였다.
본 절에서는 2상 유도전동기의 등가회로로부터 대칭좌표 법을 적용하여 정상 및 역상 등가회로를 유도하고 2상 유도전동기의 결상운전 조건을 이용하여 단상 유도전동기의 등가회로를 구하여 특성 식들을 도출한다. 그림 1은 회전자계로 동작하는 2상 유도전동기의 구조로부터 대칭좌표법을 적용하여 결상 운전하는 회로를 나타낸 것이다.
를 사용하였다 [15]. 선형 계산에서 정상분 전압이주어지고 자화전류 산출시 포화계수를 이용하여 자화 리액턴스를 반복적으로 계산하여 비선형 특성을 반영한다.
또한, 단상 유도전동기의 정상분(forward sequence)과 역상분(backward sequence) 회로가 동시에 존재하는 등가회로를 해석하는데 포화계수 (saturation rate)를 이용하여 포화특성을 고려한전동기 특성 해석을 하였다. 해석 결과로는 2차 저항의 변화에 따른 토크특성과 1차, 2차 전류, 전기적 출력, 기계적 출력 및 효율 등을 해석하였다. 단상 유도전동기의 설계 단계에서 특성도출 및 특성 개선 연구에 도움이 될 것으로 생각된다.
단상 유도전동기의 회로정수를 이용하여 등가회로를 구성 하고 포화계수를 이용하여 포화특성을 고려한 단상유도전동기 해석을 수행하였다. 해석 대상 전동기는 John H. Kuhlmann 에 의하여 설계된 전동기를 일부 수정하여 등가 회로 해석을 수행하였다 [15]. 그림 9의 수순에 의해 여자전압과 슬립에 대하여 조건을 만족할 때까지 반복적으로 해석을 진행하였으며 대상 전동기의 상세구조 및 치수는 그림 10과 표 1에 나타내었다.

성능/효과

단상 유도전동기는 다상 유도전동기와 달리 기동시에 기동토크가 발생하지 않고, 동기속도에서는 두 전동기설에 의해 음의 토크를 나타낸다. 그러므로 본 방법에서 계산된 속도-토크 특성이 정성적으로 타당성이 있으며, 이는 제안한 방법의 유용성을 볼 수 있다.
이상의 결과에서 보듯이 속도- 토크 특성은 출력에 의하여 결정되고, 출력은 정상분과 역상분의 전류 및 회로정수들에 의하여 결정된다. 단상 유도전동기는 다상 유도전동기와 달리 기동시에 기동토크가 발생하지 않고, 동기속도에서는 두 전동기설에 의해 음의 토크를 나타낸다.
그림 14과 15는 2차 저항 변화에 따른 전동기의 기계적 출력과 효율을 슬립영역에 대하여 나타내었다. 전동기의 출력이 최대인 속도 영역에서 효율 또한 최대를 나타내었고 동기속도에 가까울수록 효율이 증가되는 특성을 볼 수 있다.

후속연구

해석 결과로는 2차 저항의 변화에 따른 토크특성과 1차, 2차 전류, 전기적 출력, 기계적 출력 및 효율 등을 해석하였다. 단상 유도전동기의 설계 단계에서 특성도출 및 특성 개선 연구에 도움이 될 것으로 생각된다.
이러한 해석 방법은 단상 유도전동기의 설계나 특성 해석시 복잡하고 시간이 오래 걸리는 구조해석과 달리 쉽고 빠르게 반복적인 계산을 통하여 특성을 알아 볼 수 있다. 특성 해석 결과는 단상 유도전동기를 설계할 때에 2상 또는 3상과 비교하여 특성을 비교할 수 있으며, 포화도 비율을 설계에 반영하여 특성도출 및 개선을 할 수 있으리라 생각된다. 향후 제안한 방법의 정량적 검증을 위하여 수치해석이나 실험을 통한 비교 검증이 필요하다고 사료된다.
특성 해석 결과는 단상 유도전동기를 설계할 때에 2상 또는 3상과 비교하여 특성을 비교할 수 있으며, 포화도 비율을 설계에 반영하여 특성도출 및 개선을 할 수 있으리라 생각된다. 향후 제안한 방법의 정량적 검증을 위하여 수치해석이나 실험을 통한 비교 검증이 필요하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단상 유도전동기는 3상 유도전동기에 비해 어떤 단점이 있는가?	단상 유도전동기(Single Phase Induction Motor, SPIM)는 3상 유도전동기에 비하여 특성도 떨어지고, 같은 용량에 재료비도 많이 들어 1 [KW]이하의 소용량에 제한된다 [1]-[3]. 그러나 가정은 주로 3상 전력보다는 단상 전력의 공급이 많으므로 전원을 변환장치 없이 직접 사용할 수 있어 가전제품 전 분야의 동력원으로 사용되고 있다.
	단상 유도전동기가 3상 유도전동기와 비교하면 단점이 있음에도 불구하고 가전제품의 동력원으로 쓰이는 이유는 무엇인가?	단상 유도전동기(Single Phase Induction Motor, SPIM)는 3상 유도전동기에 비하여 특성도 떨어지고, 같은 용량에 재료비도 많이 들어 1 [KW]이하의 소용량에 제한된다 [1]-[3]. 그러나 가정은 주로 3상 전력보다는 단상 전력의 공급이 많으므로 전원을 변환장치 없이 직접 사용할 수 있어 가전제품 전 분야의 동력원으로 사용되고 있다. 이러한 단상 유도전동기는 1차 단상 권선에 의한 교번 자계이기 때문에 기동 토크가 없고, 정지된 단상 유도전동기는 자기 자신이 회전하지 못하나 어떠한 방법으로써 외부에서 한쪽방향으로 회전시키면 그 방향으로 토크가 생기고 전동기는 회전을 계속한다 [4]-[7].
	단상 유도전동기의 특징은 무엇인가?	그러나 가정은 주로 3상 전력보다는 단상 전력의 공급이 많으므로 전원을 변환장치 없이 직접 사용할 수 있어 가전제품 전 분야의 동력원으로 사용되고 있다. 이러한 단상 유도전동기는 1차 단상 권선에 의한 교번 자계이기 때문에 기동 토크가 없고, 정지된 단상 유도전동기는 자기 자신이 회전하지 못하나 어떠한 방법으로써 외부에서 한쪽방향으로 회전시키면 그 방향으로 토크가 생기고 전동기는 회전을 계속한다 [4]-[7]. 단상 유도전동기와 삼상 유도전동기의 동작원리는 서로 같지만 단상 유도전동기는 기동 토크를 발생시키기 위하여 별도의 장치를 필요로 한다.

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상세보기
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상세보기
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John H. Kuhlmann, Design of Electrical Machines, Moonundang, Seoul, 1962.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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