[편집자주]단상 AC 모터에서 기동 및 운전용 커패시터의 중요성에 대해 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)의 빌 슈웨버(Bill Schweber)에게 들어봤다.
 

■ 단상 AC 모터 브러시가 없어 저렴하고 신뢰성 높아

대부분의 엔지니어는 다양한 제품에 사용되는 기본적인 브러시드, 브러시리스, 스텝퍼 DC 모터에 익숙하다.

그러나 전기와 자기의 초창기부터 사용되어 전자 기술보다 앞서 존재했으며 지금도 널리 활용되는 또 다른 모터가 있다. 바로 단상 표준 교류 라인 모터다.

이 유도 모터는 1마력 미만에서 수 마력에 이르는 출력 범위를 제공하며, 브러시가 없어 상대적으로 저렴하고 신뢰성이 높다.

이러한 이유로 단상 AC 모터는 선풍기, 가전제품, 에어컨과 같은 기계 장비에 자주 사용된다.

모터 출력이 수 마력을 초과하면 기술적 제약으로 인해 부드럽고 효율적인 동작을 위해서는 일반적으로 3상 교류 라인과 이에 맞는 모터가 필요하다.

기본적인 교류 모터는 1890년대에 브러시드 직류 모터와 경쟁하기 위해 개발되었다.

이 과정에서 토머스 에디슨을 중심으로 한 직류 진영과 니콜라 테슬라, 조지 웨스팅하우스를 중심으로 한 교류 진영 간에 전력 생산과 송전에 관한 치열한 경쟁이 벌어졌다.

약 1910년경 승자는 교류였다.

기본적인 AC 유도 모터는 베어링과 배선 연결 외에도 고정자와 회전자라는 두 가지 주요 부품으로 구성된다(그림 1).

o 고정자(Stator)는 유도 모터의 고정된 부품이다. 단상 유도 모터에서 고정자는 상·하 권선을 가지고 있으며, 벽면 콘센트에서 공급되는 표준 단상 AC 전원으로 구동된다.

o 회전자(Rotor)는 유도 모터의 회전 부품으로, 축을 통해 기계적 운동을 전달한다. 대부분의 설계에서 회전자는 주변부 슬롯에 도전성 바를 삽입해 만든 ‘스크럴 케이지(squirrel cage)’ 형태로 제작된다. 이 바는 양 끝이 엔드 링으로 단락되어 루프를 형성한다.
 

서로 반대 방향으로 회전하는 두 자기장은 회전자에 전류를 유도한다. 이로 인해 회전자 내부에 자기장이 형성되고, 고정자의 자기장과 상호작용하여 회전을 만들어낸다.

그러나 고정자와 회전자 사이에는 전기적 연결이 존재하지 않는다. 고정자에 교류 전류를 인가하면 라인 주파수에 따라 회전하는 단일 북·남극 자기장이 생성된다. 전속에 도달하면 회전자는 이 자기장에 맞추어 회전하게 된다.

겉보기에는 단순해 보이고 실제로도 그렇다. 그러나 한 가지 중요한 문제가 있다.

이 모터는 스스로 기동하지 못하며, 일정한 방향으로도 시작되지 않는다. 그 이유는 단상 유도 모터가 본질적으로 회전 자기장을 가지고 있지 않기 때문이다.

3상 모터는 세 개의 교류 전류로 회전 자기장을 만들어내지만, 단상 모터는 단일 교류 전류에 의존하기 때문에 정지된 맥동 자기장만 형성된다.

이 자기장은 불균일하며 충분한 기동 토크를 제공하지 못하기 때문에 회전자의 지속적인 회전을 시작할 수 없다.

모터가 기동하는 순간, 교류 전원에서 발생하는 교번 자속의 전방 및 후방 성분은 크기가 동일하고 방향은 반대여서 서로 상쇄된다.

그 결과 회전자에 작용하는 순 토크가 0이 되며, 이것이 단상 유도 모터가 스스로 기동하지 못하는 이유다.

■ 기동 커패시터 솔루션

단상 유도 모터를 기동하는 가장 단순한 방법은 수동으로 돌려주는 것이지만, 실제로는 바람직하지 않고 대형 모터에는 비현실적이다.

이에 초기 전력 엔지니어들은 전자기장의 문제를 분석하고 기동 커패시터를 도입하는 더 나은 해결책을 마련했다. 단상 모터의 기동 방식에는 추가 권선을 사용하는 등 여러 방법이 있지만, 기동 커패시터 방식이 가장 널리 사용된다.

단상 문제를 해결하는 한 가지 방법은 단상 교류 라인에서 2상 전력을 유도해 2상 모터를 구성하는 것이다. 이를 위해서는 전기적으로 90° 이격된 두 개의 권선을 가진 모터가 필요하며, 여기에 시간적으로 90° 위상 차가 나는 두 전류를 공급해야 한다. 기동 커패시터는 이 두 권선 전류 사이에 필요한 위상 이동을 만들어낸다.

적절한 정전용량 값을 사용하면 주권선의 전류는 유도 리액턴스와 내부 저항의 영향을 받아 보조권선 전류보다 90° 뒤로 위상 이동한다. 그 결과 고정자 전류는 진폭이 동일하고 위상은 직교하게 되어, 균형 잡힌 2상 유도 모터와 유사한 회전 자기장이 형성된다.

이러한 방식의 모터는 영구 분할 커패시터 모터(permanent split-capacitor motor)라 불리며, 향상된 기동 토크와 부드러운 동작을 제공한다.

그러나 이로 인해 새로운 문제가 발생한다.

커패시터와 보조 권선이 모터 기동과 원하는 방향성을 보장해주지만, 일단 모터가 회전하기 시작하면 계속 연결된 상태는 불필요할 뿐 아니라 성능에도 안좋다. 따라서 회전자가 충분히 빠른 속도, 즉 정속의 약 75∼90%에 도달하면 간단한 원심 스위치가 작동해 기동 커패시터와 보조 권선을 차단한다.

■ 모터 고장일까, 커패시터 고장일까

사용자는 종종 모터가 고장 났다고 생각하지만 실제로는 기동 커패시터가 손상되었거나 완전히 고장 난 경우가 많다.

기동 커패시터가 고장 나면 모터는 정상보다 훨씬 높은 전류를 지속적으로 소모하게 되고, 이로 인해 과열이 발생하며 차단기가 떨어진다.

반대로 기동 커패시터가 정상적으로 작동하면 회전자가 회전을 시작할 수 있도록 필요한 위상 이동을 제공한다.

이 때문에 모터가 속도를 끌어올리는 시점에 짧은 전류 스파이크가 발생하고, 이후에는 모터의 정상 동작 전류 수준으로 안정된다.

그러나 기동 커패시터가 약해졌거나 완전히 손상되면 모터는 정상 속도에 도달하는 데 어려움을 겪는다.

커패시터가 고장 나면 모터는 단지 윙윙거리는 소음이나 갈리는 듯한 소리를 내며, 회전하지 못한 채 높은 전류만 끌어당긴다.

이러한 지속적인 전류 소모는 모터를 과열시키고, 안전 장치로서 차단기가 작동하도록 만든다.

커패시터 성능이 약해진 경우에는 모터가 결국 기동하더라도 평상시보다 많은 전류를 소모하며 동작해 과도한 열 발생과 효율 저하를 초래한다.

이럴 때 기동 커패시터를 교체하면 모터 성능이 회복되는 경우가 많아, 모터 문제를 진단할 때 가장 먼저 확인해야 할 항목 중 하나가 된다. 또한 커패시터의 전압 및 정전용량이 적절히 정격에 맞는지 확인하는 것이 반복적인 고장을 방지하고 모터 효율을 유지하는 데 중요하다.

■ 기동 커패시터의 용량 선정

기동 커패시터의 정전용량 값은 모터의 크기(출력 마력 또는 전력)에 따라 결정된다. 일반적인 기동 커패시터는 수백 마이크로패럿(?F)에서 약 500?F까지 범위를 갖는다. 커패시터를 선택할 때 고려해야 할 중요한 요소는 다음과 같다.

o 전압 정격: 운전 중 커패시터가 견뎌야 하는 최대 전압을 의미한다.
o 교류 전원 주파수: 60Hz 또는 50Hz 중 하나이며, 많은 커패시터는 두 주파수 모두에 대응한다.
o 동작 온도: 커패시터는 고온 환경에서 사용되는 경우가 많고, 가동 중인 모터 옆에 위치하기 때문에 65°C, 85°C, 심지어 100°C까지의 정격을 갖는 경우도 있다.
o 물리적 크기: 커패시터는 모터 하우징 내부 또는 그 옆에 설치될 수 있어야 한다.
대부분의 응용에서 기동 커패시터는 낮은 듀티 사이클로 간헐적으로만 사용된다. 이 특성 덕분에 커패시터의 설계, 제작, 비용 문제는 상대적으로 단순화된다.

■ 운전용 커패시터

운전용 커패시터는 단상 모터에서 부하가 걸린 상태에서도 보조 권선에 지속적인 토크를 유지하기 위해 사용된다. 그러나 모든 단상 모터가 운전용 커패시터를 갖춘 것은 아니다.

기동용과 운전용 커패시터가 모두 있는 모터 회로에서는 운전용 커패시터가 항상 회로에 연결되어 있고, 기동용 커패시터는 모터가 동기 속도에 근접하면 원심 스위치에 의해 분리된다.

이 구성은 ‘기동-운전 커패시터 모터’라 불리며, 기동용 커패시터는 시동 시에만 사용되고 운전용 커패시터는 연속 운전에 사용된다.

간헐적으로만 쓰이는 기동용 커패시터와 달리, 운전용 커패시터는 모터가 전원이 인가된 동안 연속적으로 동작해야 하므로 지속적인 부하를 견딜 수 있도록 설계되어야 한다.

정전용량 값은 일반적으로 기동용보다 훨씬 작아 수 ㎌에서 약 20㎌ 정도에 불과하지만, 더 견고하고 내열성이 뛰어난 구조를 갖추어야 한다.

■ 운전용 커패시터 사용 전체적 성능 향상

단상 교류 유도 모터는 100년이 넘는 긴 역사 속에서 널리 사용되며 성공적인 실적을 쌓아왔다.

그러나 초기부터 이 모터가 스스로 회전을 시작하지 못한다는 한계는 잘 알려져 있었다.

이에 대한 해결책으로 기동 커패시터와 보조 권선을 사용하며, 회전자가 충분한 속도에 도달하면 이들은 분리된다.

여기에 더해 작은 용량의 운전용 커패시터를 사용하면 전체적인 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.


※ 저자소개

빌 슈웨버(Bill Schweber )는 마우저 일렉트로닉스의 객원 필진이자 전자공학 엔지니어로, 전자 통신 시스템에 관한 세 권의 교재와 수백 편의 기술 기사, 오피니언 칼럼, 제품 특집을 집필했다. 과거에는 EE Times에서 여러 주제별 기술 웹사이트를 운영했으며, EDN에서는 수석 편집자와 아날로그 담당 편집자로 활동했다. 아날로그·혼합 신호 IC 선도 기업인 아나로그 디바이스(Analog Devices)에서는 마케팅 커뮤니케이션(홍보)을 담당하며 기술 PR의 양측을 모두 경험했다. 회사의 제품과 메시지를 언론에 소개하는 역할을 수행했을 뿐 아니라, 언론의 수신자로서 기업의 이야기를 받아들이는 역할도 맡았다. 그 이전에는 아나로그 디바이스의 기술 저널 부편집자를 지냈고, 제품 마케팅과 응용 엔지니어링 부서에서도 근무했다. 초기에는 인스트론(Instron)에서 소재 시험기 제어를 위한 아날로그 및 전력 회로 설계와 시스템 통합 업무를 직접 수행했다. 매사추세츠 대학교에서 전기공학 석사(MSEE), 컬럼비아 대학교에서 전기공학 학사(BSEE)를 취득했으며, 공인 전문 엔지니어(PE) 자격과 아마추어 무선 고급 등급 면허를 보유하고 있다. 또한 MOSFET 기초, ADC 선택, LED 구동 등 다양한 공학 주제를 다룬 온라인 강좌를 기획·작성·강의해왔다.