개요
AC 동기 모터(AC Synchronous Motor) 는 산업 현장에서 폭넓게 사용되는 모터입니다.
특히 속도가 정확하고 일정해야 하는 장치의 핵심 구동원으로 많이 활용됩니다.
예를 들어, 포장기계나 라벨기계, 인쇄기계의 피드 롤러는
정확한 회전 속도 제어가 필요하기 때문에 AC 동기 모터가 널리 사용됩니다.
이번에 진행한 가루약 포장기 제작 프로젝트에서도 AC 동기 모터가 사용되었습니다.
정회전과 역회전을 수행해야 하며, 가동 및 정지는 MCU(마이크로컨트롤러) 에 의해 제어되어야 합니다.
이에 따라, AC 동기 모터의 정·역회전 원리와 제어 방법을 자세히 검토하고
그 내용을 블로그에 기록하기로 하였습니다.
AC Motor의 종류
전기를 회전운동으로 변환하는 가장 대표적인 장치가 바로 AC 모터(교류 전동기) 입니다.
가정용 선풍기, 세탁기, 냉장고, 공장용 펌프, 자동문, 로봇 등
우리 주변의 다양한 기계들이 모두 AC 모터를 통해 구동됩니다.
AC 모터는 모두 같은 원리로 동작하지는 않습니다.
전원의 주파수와 회전 속도의 관계에 따라
동기 모터(Synchronous Motor) 와 비동기 모터(Asynchronous Motor),
즉 유도 모터(Induction Motor) 로 구분됩니다.
동기 모터
동기 모터는 말 그대로 전원의 주파수와 ‘동기’되어 회전하는 모터입니다.
예를 들어 60Hz 전원에 연결하면 그 주파수에 맞추어 일정한 속도로 회전하고,
50Hz 전원으로 바꾸면 그에 맞는 속도로 정확히 회전합니다.
즉, 회전 속도가 전원 주파수와 완전히 일치하기 때문에
속도가 일정하고 변하지 않는 것이 가장 큰 특징입니다.
회전자(Rotor)는 영구자석 또는 직류 여자 전류가 흐르는 전자석으로 구성되어 있으며,
고정자(Stator)의 회전 자기장(Rotating Magnetic Field) 과 자력적으로 ‘동기화’되어 함께 회전합니다.
이 때문에 Slip(슬립) 이 발생하지 않고, 매우 정밀한 속도 제어가 가능합니다.
다만, 동기 모터는 자체 기동이 어렵기 때문에
보조 기동장치, 콘덴서, 또는 인버터(VFD)를 이용해 부드럽게 시동해야 합니다.
이러한 특성 덕분에 동기 모터는
시계, 타이머, 전자레인지 턴테이블, 정속 회전이 필요한 산업용 장비 등에 사용되며,
최근에는 브러시리스 동기 모터(BLDC) 형태로 발전하여
로봇, 드론, 전기차 모터 등 정밀 제어가 필요한 분야에도 널리 활용되고 있습니다.
비동기 모터
비동기 모터는 전원 주파수와 완전히 동기되지 않는 모터입니다.
고정자의 회전 자기장 속도보다 회전자가 약간 느리게 돌며,
이 미세한 속도 차이를 슬립(Slip) 이라고 합니다.
이 Slip으로 인해 회전자에 유도 전류가 발생하고,
그 전류에 의해 회전 토크가 만들어집니다.
비동기 모터는 회전자에 전류를 직접 공급하지 않고,
고정자의 교류 자기장에 의해 전류가 유도되어 회전하는 구조입니다.
이 단순한 원리 덕분에 구조가 견고하고, 유지보수가 쉽고, 가격도 저렴합니다.
선풍기, 세탁기, 냉장고 컴프레서, 에어컨 팬, 공장용 펌프 등
일상과 산업 현장에서 가장 흔히 사용되는 모터가 바로 이 비동기 모터입니다.
즉, 내구성과 경제성이 중요한 장치에 최적화되어 있습니다.
본 글에서는 AC 동기 모터를 중심으로 기술 하겠습니다.
AC 동기 모터의 배선
AC 동기 모터는 전원의 주파수와 회전 속도가 일치하는 모터로, 일정한 속도로 회전하는 것이 가장 큰 특징입니다.
이 모터는 주권선(Main winding)과 보조권선(Auxiliary winding)으로 구성되어 있으며, 보조권선에는 콘덴서가 직렬로 연결되어 있습니다.
콘덴서는 전류의 위상차를 만들어 회전 자기장을 형성하고, 이를 통해 모터가 회전을 시작합니다.
회전 방향은 보조권선의 연결 극성에 따라 달라집니다.
정회전일 때와 역회전일 때의 배선이 다르며, 콘덴서가 연결되는 방향을 바꾸면 전류의 위상이 반대로 되어 회전 방향이 전환됩니다.
따라서 정·역회전 제어는 콘덴서와 보조권선의 배선을 전환하는 방식으로 이루어집니다.
아래 그림은 정회전과 역회전에 대한 연결 방법을 도식화 한 것입니다.
동작 실험
AC 동기 모터의 실제 동작을 확인하기 위해 실험을 진행하였습니다.
실험에 사용된 모터는 Aliexpress에서 구매한 소형 AC 동기 모터로,
저렴하면서도 실험용으로 적합한 제품입니다.
아래 그림은 정회전과 역회전의 배선을 구성한 모습입니다.
아래 사진은 실제로 실험을 진행한 결과입니다.
모터는 정회전과 역회전 모두 안정적으로 동작하였습니다. 모터에는 검은색 2선, 녹색 1선, 적색 1선이 있으며,
검은색 2선을 묶어 AC220V의 N(Line)에 연결하였습니다.
전원선 L(Line)을 녹색 단자에 연결하면 반시계 방향(CCW)으로, 적색 단자에 연결하면 시계 방향(CW)으로 회전하는 것을 확인하였습니다.
지금까지 AC 동기 모터의 정회전과 역회전 동작 원리를 살펴보았습니다.
다음 글에서는 MCU를 활용하여 AC 동기 모터를 정·역회전으로 제어하는 방법을 소개해드리겠습니다.
[2편] STM32 MCU로 단상 AC 동기 모터 정역회전 제어
이 글의 대표이미지의 출처는 아래 사이트 입니다.
https://pocketsparky.com/knowledgebase/basics-of-synchronous-ac-motors/
