3상 모터(Three-phase motor)는 3상 교류(AC) 전원을 이용하여 전기 에너지를 기계적 회전 에너지로 변환하는 전동기이다. 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 전동기 유형으로, 단상 모터에 비해 효율이 높고, 동일 출력 대비 크기가 작으며, 별도의 기동 장치 없이 자체 기동이 가능하다는 장점이 있다.
역사
3상 모터의 기반이 되는 다상(polyphase) 교류 시스템은 1880년대 후반 세르비아계 미국인 발명가 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)에 의해 처음 고안되었다. 조지 웨스팅하우스(George Westinghouse)가 테슬라의 교류 관련 특허를 인수한 후, 1895년 나이아가라 폭포에 최초의 대규모 3상 교류 수력 발전소가 건설되면서 3상 전력 시스템이 본격적으로 상용화되었다. 이 시기는 직류(DC)를 주창하던 토머스 에디슨(Thomas Edison) 진영과 교류(AC) 진영 간의 이른바 "전류 전쟁(War of the Currents)"으로 불리는 경쟁기이기도 하다.
구조
3상 모터는 크게 고정자(stator)와 회전자(rotor)로 구성된다.
- 고정자(Stator): 모터의 바깥쪽에 위치한 고정된 부분으로, 규소강판을 적층한 고정자 철심(stator core)에 코일이 감겨 있다. 이 코일에 3상 교류가 흐르면 회전 자계(rotating magnetic field)가 형성된다.
- 회전자(Rotor): 고정자 내부에서 실제로 회전하는 부분이다. 유도전동기의 경우, 회전자 도체에 유도된 전류와 고정자의 회전 자계 간 상호작용으로 회전력(토크)이 발생한다.
작동 원리
3상 모터의 기본 원리는 전자기 유도(electromagnetic induction)와 아라고의 원판(Arago's disk) 현상에 기초한다. 고정자 코일에 120°씩 위상이 다른 3상 교류를 인가하면, 앙페르의 오른나사 법칙에 따라 각 코일 주변에 시간적으로 변화하는 자기장이 형성되고, 이들이 합성되어 공간상에서 일정한 속도로 회전하는 회전 자계가 만들어진다. 이 회전 자계가 회전자 도체를 통과하면서 회전자에 기전력(EMF)을 유도하고, 유도된 전류에 의해 발생한 회전자 자계와 고정자 자계의 상호작용으로 회전자가 회전하게 된다.
종류
3상 모터는 작동 방식에 따라 크게 두 가지로 분류된다.
유도전동기(Induction Motor)
가장 보편적인 3상 모터로, 회전자 속도가 고정자 회전 자계의 동기 속도보다 약간 느리게 회전하는 슬립(slip) 현상을 특징으로 한다. 회전자 구조에 따라 다음으로 나뉜다.
- 농형 유도전동기(Squirrel-cage Induction Motor): 회전자 도체가 농장의 다람쥐 쳇바퀴(squirrel cage)와 유사한 형태로 배열되어 있다. 구조가 단순하고 견고하며 유지보수가 용이하여 산업용 펌프, 팬, 압축기 등에 광범위하게 사용된다.
- 권선형 유도전동기(Wound-rotor Induction Motor): 회전자에 권선이 감겨 있고 슬립링(slip ring)을 통해 외부 저항을 연결할 수 있어 기동 토크 조절이 가능하다. 크레인, 엘리베이터 등 높은 기동 토크가 필요한 용도에 사용된다.
동기전동기(Synchronous Motor)
회전자가 고정자의 회전 자계와 정확히 동일한 속도(동기 속도)로 회전하는 전동기이다. 회전자에 영구자석 또는 직류 여자 권선을 사용하여 자계를 형성한다. 정밀한 속도 제어가 필요한 대형 압축기, 발전소 보조 기기 등에 사용된다.
3상 전력의 장점
3상 시스템은 단상 시스템에 비해 송전 효율이 뛰어나다. 3개의 도체를 사용할 경우, 단상(2도체) 대비 도체는 1개만 추가되지만 전송 가능한 전력은 3배로 증가하여, 실질적으로 50%의 비용 증가로 200%의 전력 전송 향상을 달성할 수 있다. 또한 3상 모터는 단상 모터와 달리 자체 기동이 가능하고, 연속적이고 평활한 토크를 제공하여 진동이 적다는 이점이 있다.
응용 분야
3상 모터는 공장 자동화 설비, 송풍기, 펌프, 압축기, 컨베이어 시스템, 엘리베이터, 크레인, 전기자동차 구동계, 선박 추진 시스템 등 중·대형 산업 기계 전반에 걸쳐 핵심 동력원으로 사용된다.
