개념 한 쪽
직류기의 정류는 브러시 아래에서 코일 전류의 방향을 바꾸는 작용이다. 이 순간 코일에는 리액턴스 전압이 유도되고, 이를 상쇄하지 못하면 스파크가 튄다. 전압 정류·저항 정류·전기자반작용 대책이 이 개념의 핵심이다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「리액턴스 전압과 정류전압등」의 공개 문제 1개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 기전력 비례 계산 | 1 | 회전수 감소 시 같은 기전력을 위한 여자 배수 구하기 |
가장 자주 묻는 것은 기전력 비례 계산입니다.
정류는 브러시가 두 정류자편을 동시에 눌러 코일이 단락된 동안 일어난다. 단락 코일에는 자기에너지 변화로 리액턴스 전압이 유도되며, 이것이 남으면 브러시와 정류자 사이에 스파크가 튀어 정류가 나빠진다. 정류시간은 브러시 두께 b에서 정류자편 두께 δ를 뺀 길이를 정류자 주변속도 vc로 나눈 값, 즉 Tc = (b − δ)/vc 로 나타낸다. δ를 빼는 까닭은 두 정류자편이 모두 브러시에 닿아야 단락이 성립하기 때문이다.
리액턴스 전압을 없애는 방법이 전압 정류이다. 주극 사이에 놓인 보극(간극권선)이 단락 코일에 같은 크기·반대 방향의 정류 기전력을 유도해 리액턴스 전압을 상쇄하고 전류 반전을 촉진한다. 보극은 전기자와 직렬로 연결된다. 한편 탄소 브러시의 접촉저항을 이용해 단락 전류를 억제하는 방식을 저항 정류라 하며, 보극·탄소 브러시·보상권선의 역할을 서로 구분해 두는 것이 중요하다.
전기자 전류가 만드는 자속은 계자 자속을 비틀어(교차자화작용) 중성축을 옮기고 주자속을 약화시키는데, 이것이 전기자반작용이다. 이를 줄이는 대책은 보상권선을 주극 극심 슬롯에 넣어 전기자 기자력을 상쇄하는 것, 보극을 설치하는 것, 브러시를 옮겨 기하학적 중성축과 전기적 중성축을 일치시키는 것이다. 보상권선에는 전기자 전류와 반대 방향 전류를 흘려야 하며, 같은 방향으로 흘리면 반작용이 오히려 커진다. 또 자기저항을 줄여 반작용 자속을 늘리면 정류가 악화되므로, 정류 개선의 방향은 반작용 자속을 줄이는 쪽이다.
간극권선과 보상권선을 갖추지 않은 직류 발전기는 부하가 늘 때 전기자반작용이 커져 합성 자속이 비틀리고, 전기적 중성축은 회전 방향 쪽으로 옮겨가며 중성축 사이각 θ가 커진다. 같은 조건의 직류 전동기에서는 반대 방향으로 이동한다.
전동기 전부하 전류 계산 문제를 푼다. 분권 여뢰 방식 직류 전동기에서 축 출력이 20kW, 전압이 200V, 효율이 0.8일 때, 정격 20kW는 축 출력이므로 입력은 출력/효율 = 20kW/0.8 = 25kW다. 전부하 전류는 입력(전원측 기준)을 전압으로 나누므로 I = 25,000[V 기준 W]/200[V] = 125[A]가 된다. 출력 20,000을 그대로 200으로 나눈 100A는 효율을 무시한 함정이다.
또 다른 유형으로, 자기 회로가 포화에 이르지 않은 직류 발전기에서 회전수가 절반으로 떨어질 때 같은 기전력을 유지하는 문제가 있다. 기전력은 E ∝ Φn이고, 비포화 조건에서는 Φ ∝ If(여자전류)이므로 n이 절반이 되면 자속을 2배로 늘려야 곱이 보존된다. 따라서 여자전류를 2배로 해야 한다.
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.
직류발전기의 정류시간에 비례하는 요소를 바르게 나타낸 것은 ? (단, b : 브러시의 두께[mm], δ : 정류자편사이의 두께[m], vc : 정류자의 주변속도이다.)
정답 ② · 문제는 직류발전기 정류시간에 비례하는 요소를 묻고 있다. 정류시간 Tc는 브러시 두께에서 정류자 편과의 두께를 뺀 값에 비례하고 주변 속도에 반비례하므로 Tc ∝ (b − δ)이다.
정류시간 Tc = (b−δ)/vc이므로 정류시간에 비례하는 요소는 b−δ.
직류 발전기의 극수가 10, 전기자 도체수가 500, 단중 파권일 때 매극의 자속수가 0.01[wb]이면 600[rpm]일 때 기전력[V]은?
정답 ③ · 직류 발전기의 유도 기전력 공식은 E = (P × Φ × Z × N) / (60 × a) 입니다. 문제의 조건인 극수 P=10, 자속 Φ=0.01Wb, 도체수 Z=500, 회전수 N=600rpm, 단중 파권이므로 병렬 회로수 a=P=10을 대입합니다.
직류기 기전력 E=PΦZN/60a에서 단중 파권은 병렬회로수 a=2 → 10×0.01×500×600÷120=250V.
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