개념 한 쪽
직류전동기는 정류자와 브러시를 통해 직류를 받아 회전력을 만든다. 계자와 전기자의 연결 방식에 따라 직권·분권·복권으로 나뉘고, 부하가 변할 때 속도와 전류가 어떻게 따라가는지가 핵심이다. 토크와 역기전력, 철심의 성층과 절연피막, 직류 출력 변환기도 함께 확인한다.
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출제기준 단원 「직류전동기의 구조 및 원리등」의 공개 문제 2개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 주변속도 계산 | 1 | 지름과 회전수로 전기자 주변 속도를 구하는지 묻는다. |
| 철심 성층과 절연피막 | 1 | 규소강판 표면 절연피막의 목적을 가리는지 묻는다. |
직류전동기의 구조 및 원리등은 전기자와 계자, 정류자와 브러시를 통해 직류를 회전력으로 바꾸는 내용을 다룬다. 직권전동기는 계자와 전기자가 직렬로 연결되어 자속이 부하전류에 비례하고, 분권전동기는 계자에 별도 전원을 주어 자속이 거의 일정하다. 복권전동기는 두 특성을 섞어 직권과 분권의 중간 정도로 동작한다.
직류전동기의 토크는 계자 자속과 전기자 전류의 곱에 비례하고, 총 도체수·자극수·병렬회로 수를 넣은 식 T=PZΦIa/(2πa)로 구한다. 회전하면서 생기는 역기전력은 E=kφN으로 나타나며, 전압방정식 V=E+IaRa에서 전동기는 역기전력이 단자전압보다 낮아 E=V−IaRa가 된다. 발전기는 반대로 E=V+IaRa가 되고, 같은 기기에서 자속이 같으면 기전력 비가 회전수 비가 된다.
부하가 증가하면 전동기는 속도가 조금 떨어지고, 속도에 비례하는 역기전력도 감소한다. 그러면 전류가 커져 더 큰 토크를 만들고 늘어난 부하와 균형을 이룬다. 이때 단자전압은 전원이 정한 값이므로 부하가 늘어도 증가하지 않는다.
직권전동기는 부하가 없어지면 전류와 자속이 급감해 속도가 폭주하는 위험 속도가 되므로 무부하 운전을 막는다. 직권전동기는 부하 변화에 대한 속도 변동이 가장 크고 기동 토크가 크며, 분권전동기는 자속이 거의 일정해 속도 변동이 작다. 전원 극성을 반대로 하면 분권전동기는 전기자 전류와 계자 전류가 동시에 반대가 되어 토크 방향이 그대로 유지되고, 회전 방향을 바꾸려면 전기자 또는 계자 중 하나만 바꾼다.
철심에는 교류 자속 변화로 와전류가 생기므로 규소강판을 성층하고 표면을 절연 피막처리해 판 사이의 와전류 경로를 끊는다. 이 피막처리의 목적은 와전류손을 줄이는 것이고, 히스테리시스손은 규소 첨가와 방향성 처리로 줄인다. 정류기·위상제어정류기·초퍼는 모두 직류를 출력하므로 직류전동기를 구동할 수 있고, 유도전동기와 동기전동기는 인버터 계열의 교류 변환기가 필요하다. 주변속도는 u=πDN/60으로 구하고, 전동기 효율은 출력÷입력이므로 전부하 전류는 출력÷효율÷전압 순서로 계산한다.
주변속도 계산은 지름 0.2[m], 회전수 1800[rpm]을 u=πDN/60에 넣어 3.14×0.2×1800/60=18.84[m/s]로 구한다. rpm을 초당 회전수로 바꾸기 위해 60으로 나누는 점을 확인한다.
토크 계산은 총 도체수 200, 자극수 4, 자속 3.14[Wb], 전기자 전류 3[A], 단중 파권의 병렬회로 수 2를 T=PZΦIa/(2πa)에 넣는다. 3.14가 π와 약분되어 (4×200×3)÷4=600[N·m]가 된다.
효율 계산은 정격 20[kW]가 출력이므로 입력=20÷0.8=25[kW]로 구하고, 전부하 전류=25,000÷200=125[A]로 계산한다. 정격 kW를 바로 전압으로 나누면 효율을 무시한 값이 되므로 주의한다.
지름 0.2[m], 속도1800[rpm]인 전기자의 주변 속도[m/sec]는?
정답 ① · 문항은 주어진 지름과 회전수로부터 회전자 주변 속도를 구하라고 요구한다. 주변속도는 u = π·D·N/60 이므로 u = 3.14×0.2×1800/60 = 3.14×0.2×30 = 18.84 m/s가 된다.
주변속도 u = πDN/60 = 3.14×0.2×1800/60 ≈ 18.84[m/s]이다.
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.
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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