개념 한 쪽
직류기는 회전하며 여러 가지 손실을 낸다. 손실은 전기손, 철손, 기계손(가계손)으로 나뉘고 어디에서 발생하는지로 구별한다. 정격 운전과 무부하 운전의 회전수 차이는 속도변동률로 나타낸다. 전기자 권선 방식에 따라 같은 도체수와 극수라도 전압과 전류의 성질이 달라진다. 중권은 대전류·저전압용, 파권은 고전압·소전류용이다. 권선 방식은 기전력 계산에서 병렬회로 수를 결정하는 열쇠가 된다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「정격 등」의 공개 문제 1개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 토크 계산 | 1 | 역기전력과 각속도로 토크 값 구하기 |
가장 자주 묻는 것은 토크 계산입니다.
직류기의 손실은 발생 장소에 따라 셋으로 나뉜다. 전류가 흐르며 나는 손실은 전기손이고, 브러시의 전기손과 전기자 권선의 동손이 여기에 속한다. 철심에서 자기적으로 발생하는 손실은 철손이며 히스테리시스손과 와전류손 두 가지뿐이다. 기계가 회전해야 생기는 손실은 기계손, 곧 가계손이고 베어링과 브러시의 마찰손, 회전자가 공기를 헤치며 도는 풍손이 여기에 들어간다.
속도변동률은 무부하 회전수와 정격 회전수의 차이를 정격 회전수로 나눈 백분율이다. 분권 전동기는 부하가 빠지면 전기자 전류가 줄어 속도가 올라가므로 무부하 회전수는 항상 정격 회전수보다 높다. 계자 회로를 고정하면 자속이 일정해 속도의 비는 역기전력의 비와 같으므로, 역기전력 두 개만 구해 변동률을 계산할 수 있다. 이때 정격 전압과 전기자 저항으로 역기전력을 구하려면 전기자 저항 강하를 빼 준다.
전기자 권선은 중권과 파권으로 크게 나뉜다. 중권은 코일을 겹쳐 감아 병렬회로 수가 많아 저전압·대전류용이고, 파권은 코일을 한 방향으로 이어 감아 직렬 도체 수가 많아 고전압·소전류용이다. 병렬회로 수는 중권이면 극수와 같고, 단중 파권이면 극수와 무관하게 2다. 도체 굵기·권수·극수가 같아도 감는 방법에 따라 특성이 달라진다.
직류 발전기의 유도 기전력은 E = PΦZN/(60a)로 구한다. P는 극수, Φ는 매극 자속, Z는 전체 도체수, N은 회전수, a는 병렬회로 수다. 전동기의 토크는 역기전력과 전기자 전류의 곱을 각속도로 나눠 구하며, 출력으로 전기자 입력을 쓰면 틀리다. 각속도는 rpm에 2π/60을 곱해 rad/s로 환산한다.
정류는 브러시가 코일을 순간 단락시키며 전류 방향을 바꾸는 작용이다. 단락 코일에는 리액턴스 전압이 유도되고, 이를 상쇄하는 전압 정류는 보극(간극권선)이 맡고 탄소 브러시 저항을 이용하는 것은 저항 정류다. 정류시간은 브러시 두께에서 정류자편 두께를 뺀 값을 정류자 주변속도로 나눈 길이에 비례한다.
속도변동률 계산: 정격 회전수 1500rpm, 속도변동률 5%일 때 무부하 회전수는 N₀ = N(1 + α) = 1500 × 1.05 = 1575rpm이다. 계자를 고정한 경우 정격전압 105V·전기자전류 50A·전기자저항 0.1Ω에서 전부하 역기전력은 105 − 0.1×50 = 100V, 무부하(전압 106V·전류 10A)는 106 − 0.1×10 = 105V이므로 속도변동률은 (105 − 100)/100 × 100 = 5%가 된다.
토크 계산: 단자전압 100V, 전기자 전류 10A, 전기자 저항 1Ω, 정격속도 1800rpm인 분권 전동기는 역기전력 E = 100 − 10×1 = 90V, 출력 = 90×10 = 900W, 각속도 = 2π×1800/60 = 60π rad/s이므로 토크는 900/60π ≈ 4.8N·m다. 기전력 계산에서는 권선 방식으로 a를 정하는 것이 승부처다. 극수 10·도체수 500·매극 자속 0.01Wb·600rpm인 단중 파권 발전기는 a = 2이므로 E = (10×0.01×500×600)/(60×2) = 250V다.
직류 분권 전동기의 공급 전압 극성을 반대로 하면 회전 방향은?
정답 ① · 직류 분권 전동기의 회전 방향은 플레밍의 왼손 법칙에 의해 전기자 전류의 방향과 계자 자속의 방향에 의해 결정됩니다. 전압의 극성을 반대로 하면 전기자에 흐르는 전류와 계자에 흐르는 전류의 방향이 동시에 반대로 됩니다.
전원 극성 반전 시 전기자 전류와 계자 자속이 모두 반대가 되어 토크(회전 방향)은 그대로다.
부하의 변화에 대하여 속도 변동이 가장 큰 직류 전동기는?
정답 ④ · 문제는 부하 변화에 대해 속도 변동이 가장 큰 직류전동기를 묻는 것이다. 직권전동기는 계자와 전기자가 직렬로 연결되어 전동기 부하 전류가 계자 자속에 직접 영향을 주므로 부하 변화에 따라 자속이 변해 속도가 크게 변동한다.
직권전동기는 부하 전류가 곧 자속이므로 부하 변화에 속도 변동이 가장 크다.
포화하고 있지 않은 직류 발전기의 회전수가 1/2로 감소되었을 때 기전력을 전과 같은 값으로 하자면 여자를 속도 변화 전에 비해 얼마로 해야 하는가?
정답 ③ · 비포화 직류 발전기에서 회전수 변화 시 기전력을 유지하기 위한 여자 전류의 배수를 묻는 문제이다. 발전기 기전력은 E ∝ Φn이고, 비포화 영역에서는 자속이 여자전류에 비례하므로 Φ ∝ If가 성립한다.
발전기 기전력은 E∝Φn이고 비포화 영역에서는 Φ∝If이므로, 회전수가 1/2이 될 때 같은 기전력을 유지하려면 여자전류를 2배로 해야 한다.
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