개념 한 쪽
직류 전동기의 속도는 전기자에 걸리는 전압과 계자 자속에 따라 달라진다. 전기자 전압을 바꾸거나 계자전류를 바꾸어 속도를 조절하며, 초퍼와 워드 레오나드 방식도 속도제어 수단으로 쓰인다.
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출제기준 단원 「속도제어」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전원 극성 반전 시 회전 방향 | 1 | 분권 전동기에서 전기자와 계자를 함께 뒤집을 때 토크 방향 판단 |
| 전압 상승 시 회전수 계산 | 1 | 전류와 자속을 일정하게 둔 조건에서 역기전력비로 새 회전수 산출 |
| 발생 토크 계산 | 1 | 단자전압과 전기자 전류로 역기전력과 각속도를 구해 토크 산출 |
직류 전동기의 속도는 역기전력을 자속으로 나눈 값에 비례한다. 역기전력은 단자전압에서 전기자 저항에 의한 전압강하를 뺀 값이므로, 속도는 전기자 전압과 계자 자속에 의해 정해진다. 계자전류가 일정하면 자속이 일정해지고, 전기자 전류가 일정하면 전압강하도 일정해진다. 이 조건에서는 속도비를 역기전력비로 계산한다.
전기자 전압을 바꾸는 방식은 직류 전동기의 속도를 조절하는 기본 수단이다. 직류 직권전동기의 속도제어에는 직류 전압을 빠른 스위칭으로 잘라 평균 전압을 조절하는 초퍼가 쓰인다. 초퍼는 직류→직류 변환장치이다. 인버터는 직류→교류, 듀얼 컨버터와 사이클로컨버터는 교류→교류 장치이므로 직류 전동기 제어와 맞지 않는다.
계자 제어법은 계자전류를 줄여 자속을 약하게 만들어 속도를 높이는 방법이다. 자속이 줄면 토크도 줄지만 속도가 올라가 출력이 거의 일정해지므로 정출력 가변속도 용도에 적합하다. 전압 제어법과 일그너 방식은 정토크용 제어법으로 분류된다. 워드 레오나드 방식은 전동발전기 세트로 전기자 전압을 연속적으로 바꾸어 넓은 범위의 속도제어를 얻는 방식이다. 엘리베이터와 호이스트처럼 저속부터 고속까지 정밀한 속도 조절이 필요한 곳에 쓰인다.
분권 전동기에서 전원 극성을 반대로 하면 전기자 전류와 계자 자속이 함께 반대가 되어 토크 방향은 그대로이다. 회전 방향을 반대로 하려면 전기자 또는 계자 중 하나만 바꾼다. 무부하로 운전 중 계자 회로가 단선되면 자속이 잔류자속 수준으로 급감하고 전기자 전류가 급증해 속도가 폭주할 수 있다. 중부하에서는 토크 부족으로 정지할 수 있으므로 계자 단선은 위험한 고장으로 다룬다.
전기자 전류와 계자전류를 일정하게 유지한 채 단자전압을 120V에서 150V로 올리는 경우를 계산한다. 전기자 저항이 0.4Ω이고 전기자 전류가 35A이면 전압강하는 35×0.4=14V이다. 처음 역기전력은 120−14=106V, 올린 뒤 역기전력은 150−14=136V이다. 회전수는 역기전력에 비례하므로 새 회전수는 1300×136/106≈1668rpm이다.
분권 전동기에서 단자전압을 110V에서 120V로 높이는 경우를 계산한다. 이때 전기자에 흐르는 전류는 42A, 전기자 저항은 0.1Ω, 처음 회전수는 1800rpm이다. 전압강하는 42×0.1=4.2V로 양쪽 조건에서 같다. 역기전력은 110−4.2=105.8V에서 120−4.2=115.8V로 변한다. 계자전류가 일정하므로 새 회전수는 1800×115.8/105.8≈1970rpm이다.
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.
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.
다음 중 직류 전동기의 전기제동법이 아닌 것은?
정답 ④ · 문항은 직류 전동기의 전기제동법에 해당하지 않는 것을 묻고 있다. 직류 전동기의 전기제동에는 발전제동, 회생제동, 플러깅(역전제동) 등이 있으며 이들은 전기적으로 토크를 발생시켜 제동하는 방법이다.
직류 전동기 전기제동은 발전·회생·플러깅 제동뿐이며, 직류제동은 교류 유도전동기용이다.
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