개념 한 쪽
직류기에서는 전기자에 흐르는 전류가 주자계에 영향을 주어 자속을 왜곡하는 전기자반작용이 발생한다. 이로 인해 정류 시 스파크가 생기거나 전압이 불안정해질 수 있으므로 보극과 보상권선 같은 보정 장치로 정류 성능을 확보한다. 또한 직류전동기의 속도는 인가 전압에 비례하고 자속에 반비례하므로 전압·계자 변화가 속도와 출력에 직접적인 영향을 준다.
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출제기준 단원 「전기자반작용과 정류 및 전압변동」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 역회전 시 직류발전기 동작 판단 | 1 | 역회전 시 직류발전기의 발전 여부와 정류 영향 설명하기 |
| 전압·자속에 따른 속도 변화 계산 | 1 | 전압과 계자전류 변화가 회전속도에 미치는 배율을 계산하기 |
| 정류 보정 요소 식별 | 1 | 전기자반작용 보정과 정류 스파크 억제 장치를 가리기 |
전기자반작용은 전기자 권선에 흐르는 전류가 만들어내는 자기장이 주자계와 상호작용하여 전체 자속을 왜곡하는 현상이다. 이 왜곡은 정류기와 브러시 접촉부에서 스파크를 유발하고 전압 파형을 불안정하게 하므로, 직류기 설계에서는 이를 보정하는 장치가 필수적이다.
보극(Interpole)은 주극 사이에 설치되어 전기자반작용으로 생기는 자속 왜곡을 보정하고 정류 중의 스파크를 억제하여 전압 정류를 돕는 역할을 한다. 보상권선도 전기자반작용을 상쇄하는 수단이나, 정류 성능 측면에서 보극의 역할이 핵심적이다.
직류전동기의 회전속도는 인가 전압 V에 비례하고 자속 Φ에 반비례하는 관계를 가진다. 따라서 계자전류를 줄여 자속을 약하게 하고 전기자 전압을 높이면 속도는 크게 증가하며, 반대로 자속을 강화하거나 전압을 낮추면 속도는 감소한다.
직권전동기와 분권전동기 등 직류기 종류별로 전압·속도·토크 특성이 다르다. 직권전동기는 부하 증가 시 속도가 급격히 떨어지는 대신 출력을 비교적 일정하게 유지하는 경향이 있어 기중기나 전차처럼 큰 기동토크가 필요한 기기에 적합하다. 분권전동기는 속도 변화가 작아 팬이나 송풍기 등에 적합하다.
기동회로 설계에서는 기동 시 기전력이 거의 없다는 사실을 이용하여 총회로 저항과 전기자 저항의 합으로 기동전류를 제한한다. 이때 필요한 기동저항 값은 허용 기동전류와 단자전압으로부터 옴의 법칙을 적용해 결정한다.
예1) 전압과 자속 변화에 따른 속도 변화 계산 예시를 보인다. 직류전동기에서 계자전류를 1/n로 줄여 자속을 1/n로 하고 전기자 전압을 n배로 하면 속도는 V/Φ 비례에 따라 n/(1/n) = n²배가 된다. 따라서 주어진 배수를 대입하면 속도 변화량을 빠르게 산정할 수 있다.
예2) 기동저항 계산 예시를 보인다. 단자 전압이 300볼트이고 전기자 권선의 저항이 0.3Ω이며 정격전류가 50A일 때 기동전류를 정격의 1.7배(85A)로 제한하려면 총 저항 R_total = 300V / 85A ≈ 3.53Ω가 필요하다. 따라서 기동저항 R = R_total - 전기자저항 = 3.53Ω - 0.3Ω ≈ 3.23Ω가 되어 약 3.2Ω의 기동저항을 넣어야 한다.
직류발전기를 역회전 시키면?
정답 ③ · 직류발전기는 전기자 내부에 영구자석이나 별도의 전원을 통해 자계(Field)가 형성되어 있고, 그 자계를 코일이 회전하며 끊어 전류를 발생시키는 원리입니다. 만약 회전 방향을 역으로 바꾸더라도 자계와 코일의 상대 운동은 그대로 발생하므로 전류는 유도되나, 이는 정회전 때와 동일하게 정상적인 발전이 이루어지는 것입니다.
직류발전기는 역회전 시에도 자계와 전기자의 상대 운동이 유지되므로 정상적으로 전압이 유도된다.
직류 타여자전동기의 계자전류를 1/n로 하고 전기자 회로의 전압을 n배로 하면 속도는 어떻게 되는가?
정답 ④ · 직류 타여자 전동기(DC separately excited motor)의 회전 속도 N은 인가된 전기자 전압 V에 비례하고, 계자 자속 Φ에 반비례합니다. 공식으로는 N ∝ V / Φ 입니다.
직류전동기 속도는 전압에 비례하고 자속에 반비례하므로, 전압 n배, 자속 1/n배 시 속도는 n²배가 됩니다.
직류기에서 전압정류의 역할을 하는 것은?
정답 ④ · 직류기(DC Motor)에서 전기자 반작용으로 인해 생기는 자속의 왜곡을 보정하고, 정류자와 브러시 사이에서 발생하는 스파크를 방지하기 위한 목적으로 설치되는 권선이 바로 보극(Compensating Pole 혹은 Interpole) 또는 보상권선입니다. 다만 일반적으로 기전력 정류(전압 정류)의 핵심적인 역할을 수행하여 스파크를 없애는 역할은 보극(Interpole)에 의해 이루어집니다.
직류기에서 전기자 반작용으로 인한 자속 왜곡을 보정하고 정류자의 스파크를 방지하여 전압 정류 역할을 하는 것은 보극이다.
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