[전기기능사 필기 6편] 비전공자도 단기합격! 2과목 전기기기 핵심 기출문제: 유도기 완벽 정리

전기기능사 전기기기 유도기 핵심요

안녕하세요. 티스토리 블로그를 통해 여러분의 전기기능사 합격을 돕고 있는 전기 달인입니다.

전기기능사 필기 단기 합격을 위한 17부작 시리즈의 여섯 번째 시간입니다. 오늘 다룰 주제는 2과목 전기기기 파트에서 변압기, 직류기와 함께 가장 중요한 3대장으로 꼽히는 '유도기(Induction Machine)'입니다.

유도 전동기는 구조가 튼튼하고 다루기 쉬우며 가격이 저렴하여, 선풍기나 세탁기 같은 가정용 가전제품부터 거대한 산업용 공장 설비까지 우리 주변에서 가장 널리 사용되는 전동기입니다. 시험에서는 유도 전동기의 회전 원리인 '슬립(Slip)'의 개념, 동기 속도 계산, 그리고 전동기를 안전하게 출발시키기 위한 '기동법'이 매회 출제됩니다. 오늘 엄선한 3개의 핵심 기출문제와 상세한 풀이를 통해 유도기 파트의 필수 개념을 확실하게 마스터하시기 바랍니다.

---

1. 동기 속도와 슬립 (유도 전동기의 회전 원리)

유도 전동기는 프랑스의 과학자 아라고가 발견한 '아라고의 원판' 원리를 이용합니다. 자석을 회전시키면 구리 원판이 자석을 따라 도는 원리인데, 이때 원판은 자석의 속도와 완전히 똑같이 돌지 못하고 항상 조금 느리게 따라갑니다. 이 속도의 차이를 비율로 나타낸 것이 바로 '슬립(Slip)'입니다.

• 동기 속도(Ns): 자기장이 회전하는 속도입니다. 공식은 Ns = 120 × f / p [rpm] 입니다. (f는 주파수, p는 극수)
• 슬립(s): 회전자가 자기장을 따라가지 못하고 미끄러지는 비율입니다. 공식은 s = (Ns - N) / Ns 입니다. (N은 실제 회전자의 속도)
• 암기 포인트: 정지 상태일 때 슬립은 1 이고, 동기 속도와 똑같이 회전할 때(이상적 상태) 슬립은 0 입니다. 실제 전동기는 항상 0과 1 사이의 슬립 값을 가집니다.

[엄선 기출문제 1] Q. 회전수 1,728[rpm]인 유도전동기의 슬립[%]은? (단, 동기 속도는 1,800[rpm]이다.)

1. 0.4
2. 4.5
3. 4
4. 5.5

정답: 3번 (4) 상세 해설: 슬립을 구하는 가장 기본적이고 자주 출제되는 문제입니다. 슬립 공식 s = (Ns - N) / Ns 에 문제에서 주어진 값을 그대로 대입합니다. 분자는 동기 속도에서 실제 회전수를 뺀 값입니다. 1,800 - 1,728 = 72 가 됩니다. 이를 다시 동기 속도인 1,800으로 나누어 줍니다. 72 / 1,800 = 0.04 가 도출됩니다. 문제에서 백분율[%]을 요구하였으므로 0.04에 100을 곱하면 최종적으로 4[%]가 됩니다.

---

2. 유도 전동기의 기동법 (안전한 출발을 위하여)

전동기에 처음 전기를 넣어 회전시킬 때(기동 시)에는 평소 운전할 때보다 무려 5배에서 7배나 큰 '기동 전류'가 흐르게 됩니다. 이 막대한 전류를 그대로 흘려보내면 코일이 타버릴 수 있기 때문에, 기동 전류를 줄여주는 특수한 방법들이 필요합니다. 전동기의 종류(농형, 권선형)에 따라 기동법이 다르므로 이를 확실히 구분해야 합니다.

• 농형 유도 전동기의 기동법:
  • 전전압 기동 (직입 기동): 5[kW] 이하의 소형 전동기에 특별한 장치 없이 직접 전원을 연결하는 방식입니다.
  • Y-△ (와이-델타) 기동: 5[kW] ~ 15[kW] 용량에 주로 쓰입니다. 처음에는 Y결선으로 기동하여 전압과 기동 전류를 1/3로 줄이고, 속도가 붙으면 △결선으로 바꾸어 정상 운전하는 가장 중요한 방식입니다.
  • 기동 보상기법: 15[kW] 이상의 대형 전동기에 쓰이며 단권 변압기를 이용해 전압을 낮추어 기동합니다.
• 권선형 유도 전동기의 기동법: 2차 저항 기동법 (회전자 회로에 외부 저항을 연결하여 기동 전류를 억제하고 기동 토크를 높이는 비례 추이의 원리를 이용합니다.)

[엄선 기출문제 2] Q. 농형 유도 전동기의 기동법이 아닌 것은?

1. 2차 저항 기동법
2. Y-△ 기동법
3. 전전압 기동법
4. 기동 보상기에 의한 기동법

정답: 1번 (2차 저항 기동법) 상세 해설: 농형 유도 전동기의 3대 기동법은 전전압 기동(직입 기동), Y-△ 기동, 기동 보상기법입니다. 보기 1번의 '2차 저항 기동법'은 농형이 아닌 '권선형' 유도 전동기에서만 사용할 수 있는 전용 기동 방식입니다. 농형과 권선형의 기동 방식을 섞어놓고 오답을 찾는 형태가 매우 빈번하게 출제되므로 두 가지를 명확히 분리하여 암기하십시오.

---

3. 유도 전동기의 토크와 전압의 관계

전동기가 회전축을 돌리는 힘을 '토크(Torque)'라고 부릅니다. 유도 전동기에서 이 토크의 크기는 외부에서 공급해 주는 전압의 크기에 매우 민감하게 반응하며, 이 둘의 수학적 비례 관계를 묻는 문제가 자주 출제됩니다.

• 핵심 원리: 3상 유도 전동기의 토크(T)는 공급 전압(V)의 '제곱'에 비례합니다. (T ∝ V²)
• 주의 사항: 동기 전동기의 토크는 전압에 그냥 비례하지만, 유도 전동기는 반드시 '제곱'에 비례한다는 점을 혼동하지 않아야 합니다.

[엄선 기출문제 3] Q. 일정한 주파수의 전원에서 운전하는 3상 유도전동기의 전원전압이 정격전압의 80[%]가 되었다면 토크는 약 몇 [%]가 되는가?

1. 141
2. 120
3. 80
4. 64

정답: 4번 (64) 상세 해설: 유도 전동기의 토크는 공급 전압의 제곱에 비례한다는 원리를 적용하는 계산 문제입니다. 공급 전압이 원래의 80[%], 즉 0.8배로 감소하였습니다. 토크는 전압의 제곱에 비례하므로, 0.8 의 제곱을 계산해야 합니다. 0.8 × 0.8 = 0.64 가 됩니다. 이를 백분율[%]로 환산하면 64[%]가 되며, 전압이 조금만 떨어져도 회전하는 힘(토크)은 훨씬 더 큰 폭으로 감소한다는 것을 수식으로 증명하는 문제입니다.

---

1분 마무리 요약 노트

1. 동기 속도와 슬립: 동기 속도 Ns = 120f / p 공식을 통해 회전 자기장의 속도를 구하고, 이를 이용해 슬립 s = (Ns - N) / Ns 를 계산할 수 있어야 합니다.
2. 기동법의 구분: 농형 전동기는 Y-△ 기동과 기동 보상기법을 사용하며, 권선형 전동기는 반드시 2차 저항 기동법을 사용합니다.
3. 토크와 전압: 유도 전동기가 발생시키는 회전력(토크)은 외부에서 들어오는 전압의 제곱에 비례하여 변동합니다.

오늘 다룬 유도 전동기의 3가지 테마는 전기기능사 시험 2과목에서 가장 출제 빈도가 높은 핵심 영역입니다. 특히 동기 속도 공식은 주파수와 극수만 알면 10초 만에 풀 수 있는 효자 문제이므로 반드시 암기하시기 바랍니다.

질문이 있으시거나 풀이가 막히는 기출문제가 있다면 언제든지 댓글로 남겨주십시오. 전기 달인이 가장 정확하고 명쾌하게 해답을 드리겠습니다. 여러분의 단기 합격을 진심으로 응원합니다.