개념 한 쪽
직류기의 손실은 전기손, 철손, 기계손(가계손)으로 나눈다. 각 손실이 어디서 생기는지 구분하는 것이 기본이다. 손실과 함께 속도변동률, 주변속도 같은 계산 개념도 같은 단원에서 다룬다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「손실」의 공개 문제 2개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 철손 저감 목적 | 1 | 규소강판 절연 피막처리의 목적을 가리기 |
| 전동기 특성 판별 | 1 | 직류전동기의 설명 중 옳은 것을 골라내기 |
직류기의 손실은 크게 전기손, 철손, 기계손(가계손)으로 나뉜다. 전기손은 전류가 흐르면서 저항에서 나는 손실로, 브러시의 전기손(브러시와 정류자 접촉부의 저항손)과 전기자 권선의 동손이 여기에 속한다. 철손은 철심에서 발생하는 손실로 히스테리시스손과 와전류손 두 가지뿐이다. 기계손은 가계손이라고도 하며, 기계가 회전해야 생기는 손실로 베어링·브러시의 마찰손과 회전자가 공기를 헤치며 도는 풍손이 들어간다.
분류를 묻는 문제는 「돌아서 나는 손실은 기계(마찰·풍), 전류로 나는 손실은 전기, 철심에서 나는 손실은 철손」으로 가리면 된다. 표류 부하손도 전류에 따른 전기적 손실이라 철손이 아니다.
철손을 줄이는 방법도 구분해야 한다. 철심에 교류 자속이 통하면 소용돌이 모양 전류인 와전류가 생기고 이는 열로 사라지는 손실이 된다. 이를 줄이려고 철심을 얇은 규소강판 여러 장으로 겹쳐 쌓는 성층을 하고, 강판 표면에 절연 피막을 입혀 판과 판 사이로 전류가 흐르지 못하게 한다. 즉 피막처리의 목적은 와전류손 감소다. 히스테리시스손은 피막이 아니라 규소 첨가·방향성 처리로 줄인다.
효율 계산은 출력과 입력의 구분이 핵심이다. 전동기의 효율은 출력 ÷ 입력이므로, 정격 kW는 축에서 나오는 출력이고 전원에서 들어가는 입력은 출력 ÷ 효율로 구한다. 입력을 전압으로 나누면 전원에서 흡입하는 전부하 전류가 나온다. 출력을 그대로 전압으로 나누는 것이 대표적인 함정이다.
속도변동률은 무부하 회전수와 정격 회전수의 차이를 정격 회전수로 나눈 백분율이다. 무부하 회전수 = 정격 회전수 × (1 + 변동률)로 계산한다. 계자를 고정해 자속이 일정하면 속도의 비는 역기전력의 비와 같으므로, 속도변동률은 역기전력 두 개만 구해 (E₀ − E)/E × 100으로 처리한다. 회전체의 주변속도는 표면의 한 점이 1초 동안 움직이는 거리로, u = πDN/60으로 구한다.
주변속도 계산: 지름 0.2[m], 1800rpm으로 도는 전기자의 주변속도는 u = πDN/60 = 3.14 × 0.2 × 1800/60 = 3.14 × 0.2 × 30 = 18.84 [m/s]다. rpm을 초당 회전수로 바꾸는 60으로 나누는 것과 π를 빠뜨리지 않는 것이 관건이다.
속도변동률 계산: 전압과 전류의 정격이 각각 105V, 50A이고 전기자저항 0.1Ω인 전동기를 전압 106V, 계자회로 일정으로 무부하 운전할 때 전기자 전류가 10A이면 무부하 역기전력 E₀ = 106 − 0.1×10 = 105V, 전부하 역기전력 E = 105 − 0.1×50 = 100V이므로 ε = (105 − 100)/100 × 100 = 5%다. 자속이 일정하므로 속도의 비가 역기전력의 비와 같다.
효율 계산: 200V, 20kW, 효율 0.8인 분권 전동기의 전부하 전류는 입력 = 20/0.8 = 25kW, I = 25,000/200 = 125A다.
성층하는 규소강판의 표면을 절연 피막처리 하는 이유로서 알맞는 것은?
정답 ③ · 문제는 성층 규소강판 표면에 절연 피막을 처리하는 이유를 묻는다. 성층과 표면 절연은 판과 판 사이의 도전 경로를 끊어 와전류가 흐르는 것을 방지함으로써 와전류 손실을 줄이기 위한 목적이다.
규소강판 표면 절연피막은 성층 판 사이의 와전류 경로를 끊어 와전류손을 줄이기 위한 것이다.
200[V] 20[kW], 효율 0.8인 직류 분권 전동기의 전부하 전류[A]는?
정답 ③ · 문제는 직류 분권 전동기의 정격 전압·출력·효율로부터 전부하 전류를 구하는 것이다. 먼저 입력전력은 출력전력÷효율이므로 20kW÷0.8 = 25kW가 되고, 전류는 전원전압으로 나누면 25,000W ÷ 200V = 125A가 된다.
입력 = 출력/효율 = 25kW, 전부하 전류 = 25,000/200 = 125A — 정격 kW를 바로 나누지 말 것.
직류분권 전동기가 있다. 여기에 전원전압 120[V]를 가했을 때 전기자 전류 35[A]가 흐르고 회전수는 1300[rpm]이었다. 이때 계자전류 및 부하전류를 일정하게 유지하고 전원 전압을 150[V]로 올리면 회전수[rpm]는 약 얼마인가? (단, 전기자 저항은 0.4[Ω]이다.)
정답 ② · 직류 분권 전동기의 회전수 N은 N = (V - Ia·Ra) / (k·Φ)입니다. 전압을 120[V]에서 150[V]로 상승시키면, 역기전력(V - Ia·Ra)이 증가하여 회전수가 비례하여 증가합니다.
회전수는 역기전력에 비례하므로 N₂=1300×136/106≈1668rpm이다.
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