전기기계 - 직류 전동기

[1] 직류 전동기의 출력

(1) 직류 전동기의 원리

 

1. 직류 전동기는 전기적 에너지를 기계적 회전 에너지로 변환하는 기기이며, 직류 발전기와 같은 구조를 가진다. 
2. 계자 권선에 의해 발생한 자속과 전기자 권선에 흐르는 전류에 의해 생기는 자속이 서로 쇄교하여 반발력, 흡인력으로 회전력(토크)가 발생한다. 
3. 발전기의 출력이 전동기의 입력으로 들어간다.

 

(2) 회전력(토크)

 

 

 

(3) 직류 전동기의 역기전력

 

1. 직류 전동기는 인가되는 전력 에너지를 토크로 변환시키고 전동기 축을 회전시킴으로써 기계적 에너지인 회전 운동 에너지로 변환한다. 
2. 이때 전동기가 회전하면서 발전기처럼 회전자의 도체를 끊으면서 유기기전력이 발생한다. 
3. 이 기전력은 전동기의 입력 전압의 극성과는 반대로 유기되므로 "역기전력"이라고 부른다.
4. 역기전력의 크기는 직류 발전기의 기전력의 크기와 같다. 

 

(4) 직류 전동기의 회전 수 (속도 N)

 

1. 직류 전동기의 역기전력은 전동기의 회전 수에 비례한다.

 

 

2. 전동기의 부하가 증가(부하전류 증가, 전기자전류 증가)하면 전동기의 속도가 감소하고 역기전력의 크기도 감소한다. 

 

3. 역기전력이 감소하면 전기자전류가 증가한다. 이는 전기적 입력이 증가했다고 볼 수 있다. 

 - 전동기의 입력 : P = VI [W]

 - 전동기의 출력 : P = EIa [W]

 

 

 

[2] 직류 전동기의 종류

(1) 타여자 발전기

 

타여자 직류 전동기

 

 

1. 여자 전류를 조절할 수 있으므로 속도를 세밀하고 광범위하게 조정한다. (정속도 특성)

 

 

전기자전류가 증가하면 회전수가 감소하지만 Ra가 매우 작기 때문에 E ≒ V 이므로 정속도 특성을 가진다.

 

2. 전원의 극성을 반대로 하면 회전 방향이 반대가 된다.

 

3. 압연기, 엘리베이터 등 세밀한 속도 조정이 필요한 곳에 쓰인다. 

 

 

(2) 분권 발전기

 

분권 전동기

 

 

1. 계자와 전기자가 병렬로 연결되어 있으며 부하가 증가할 때 속도가 감소하지만 그 폭이 크지 않아서 타여자와 같은 정속도 특성을 가진다. V가 일정하고 부하만 증가한다고 가정한다.

 

부하가 증가하면 부하전류도 증가한다. 단자전압을 일정하다고 가정했으므로 계자 전류는 

 

 

부하전류가 증가하면 전기자전류도 같이 증가한다. 따라서 회전수는 감소해야하지만 Ra가 매우 작기 때문에 타여자보다는 변동이 크지만 정속도 특성을 가진다. 

 

 

 

2. 정격전압 상태에서 무여자 운전 시 위험 속도에 도달하여 원심력에 의해 기계가 파손될 우려가 있다. 

 

정격전압을 인가한 상태에서 퓨즈, 개폐기 설치하지 않는다. 

 - 계차 측 퓨즈가 끊어지면 계자전류가 0이 되고 자속이 0이 되므로 회전수는 무한대가 된다. 

 

3. 공작기계, 컨베이어 등 정속도 운전이 필요한 곳에 사용된다. 

 

4. 토크 특성

 

 

(3) 직권 전동기

 

직권 전동기

 

 

1. 계자와 전기자가 직렬로 연결되어 있으며 부하가 증가할 때 부하 전류와 계자 전류의 크기가 동일하므로 기동 토크가 크고 이에 따라 속도 변동도 크기 때문에 가변 속도 특성이 있다.  

 

 

 

자기포화를 무시하고 계자전류와 자속이 정비례한다고 가정한다.

 1) 회전력(토크) 공식으로부터 토크는 자속과 전기자전류에 비례함을 알 수 있다.

 2) 자속과 계자전류가 정비례하고 직렬로 연결되어 있어 전류가 모두 같으므로 회전력은 전류의 제곱에 비례한다.

 

회전 수가 10이라고 하면, 분권 전동기의 토크가 10이고 직권 전동기는 100이다. 따라서 속도가 느릴 때, 토크가 가장 크고 토크가 클 때, 속도가 가장 느리다. (토크가 가장 크고 속도의 변동이 가장 크다.)

 

 

 

2. 정격전압 상태에서 무부하 운전 시 위험 속도에 도달하여 원심력에 의해 기계의 파손 우려

 

 

벨트가 벗겨지거나 끊어지면 무부하 상태와 동일하다. 

 → 무부하 → 부하전류 = 0 → 회전 수 = 무한대 → 전동기 파손 

 

방지대책 : 벨트 운전 금지, 체인, 톱니바퀴 식으로 변경

 

 

 

[3] 직류 전동기의 운전 

(1) 전동기의 종류별 특성 곡선

 

 

속도-부하 특성 곡선 (직 → 가 → 분 → 차)

 

1. 분권 (Ia ≒ I, 정격전압 일정, 부하만 증가)

 

 

부하전류[I] 증가하면 속도[N] 감소 But, Ra가 매우 작아서 속도 변동 거의 없다.(정속도 특성)

 

 

 

2. 직권 (Ia = I = If)

 

 

부하전류[I] 증가하면 계자전류[If] 증가하여 속도[N] 감소 (속도 변동↑) 

 

 

 

토크-부하 특성 곡선 (직 → 가 → 분 → 차)

 

1. 분권 (정격전압 일정, 부하만 증가 → 계자 전류 일정 → 자속 일정)

 

 

2. 직권 (Ia = I = Is, 정격전압 일정, 부하만 증가 → 부하전류 = 계자전류 = 전기자전류 증가 → 자속 증가)

 

 

 

(2) 직류 전동기 기동법

 

 

기동 : 멈춰있는 전동기에 전압을 인가해 회전을 시키려는 준비 상태 (기동 시, N = 0)

기동전류 : 기동 시 흐르는 전류, 정격전류의 4~6배가 흘러서 제한이 필요하다. 

기동 시, 토크가 필요하기 때문에 기동토크가 커야한다. 

 

 

기동전류가 매우 커지기 때문에 기동전류를 낮추고 기동토크를 크게 함으로써 기동특성을 개선한다.

 

 

기동저항기(SR) : 전기자저항과 직렬로 연결하여 설치, 저항값을 최대로 두어 기동전류를 줄인다. 

계자저항기(FR) : Ra가 최대가 되면 Ia가 감소하여 토크가 감소한다. 따라서 저항값을 최소로 하여 계자전류를 증가시키고 자속을 증가시킴으로써 감소한 토크를 보상한다. 

 

 

 

(3) 속도 제어법

 

 

1. 자속 (계자 제어)

계자저항[Rf](계자저항기 FR)으로 계자전류[If]를 제어한다.

 

 

1) 정출력 제어 (출력 일정 P = EIa)

 

 

 자속이 증가하면 회전수가 감소하고

 회전수가 증가하면 자속이 감소하므로 출력이 일정하다. 

 

 2) 자기포화곡선에 따라 제어범위가 좁다는 단점이 있다. 

 

 

2. 전압 (전압 제어법)

 

 1) 전동기의 외부 단자에서 공급 전압을 조절하여 속도를 제어하는 방법이다. 

 2) 전압으로만 조정하기 때문에 효율이 좋고 제어범위가 가장 넓다.

  - 워드 레오나드 방식 : 광범위한 속도 제어

  - 일그너 방식 : 플라이 휠 설치 (부하 변동이 커지면 N도 커지는데 관성을 이용하여 조정한다.

  - 직,병렬 방식

 

 

3. 저항 (저항 제어법)

 

 1) 전기자회로에 삽입한 기동 저항으로 속도롤 조정하는 방법이다. 

 2) 손실이 크기 때문에 효율이 떨어져 잘 사용하지 않는다.  (동손 Pc = I^2R 증가)

 

 

 

(4) 직류 전동기의 제동법

 

1. 발전 제동

전동기를 발전기로 동작시켜 미리 연결한 저항에서 열로 소비시켜 제동하는 방식

 

2. 회생 제동

전동기 회전 시 입력 전원을 끊고 자속을 강하게 하면 역기전력이 전원의 전압보다 높아져서 전류가 역류하게 된다. E>V

이 전류를 가까운 부하의 전원으로 사용하면서 제동하는 방식이다. 

 - 주로 내리막길에서 자동차의 제동이 회생 제동이다. 

 

3. 역상(역전)제동

전동기를 역회전시켜 급정지하는 방식

계자나 전기자 중 하나의 전류 방향을 반대로 전환시켜주면 역방향의 토크가 발생하게 된다. 

 - 만약 공급전압의 극성을 바꾼다면 타여자 전동기만 역회전하게 된다. (자여자의 If, Ia의 방향은 둘다 바뀐다.) 

 

 

 

[4] 전기기기의 효율 (직류 전동기)

(1) 실측 효율 : 출력 / 입력 

(2) 규약 효율 : 입력 - 손실 / 입력

 

발전기나 전동기의 기계적 에너지는 측정 및 계산이 어렵다. 전동기에서는 출력이 기계적 에너지이므로 입력과 손실의 관계를 이용하여 규약 효율을 정의한다. 

 

 

(3) 직류 전동기의 손실[W]

 

 1. 무부하손(고정손) - 부하의 유무에 관계없이 V만 인가되면 발생하는 손실

         1) 철손(Pi) - 철심 내의 자기포화로 인해 발생하는 잔류 자기 손실

                 1> 히스테리시스손(Ph) - 규소강판 사용으로 손실 저감

                 2> 와류손(Pe) - 철심의 두께의 제곱에 비례하므로 얆은 철심 적층 구조 사용(0.35mm ~ 0.5mm)

         2) 기계손(회전기에서만 발생, 변압기에서는 기계손이 없어 효율이 좋다.)

                 1> 마찰손

                 2> 풍손 - 열을 냉각하는데 필요한 풍속이 회전에 저항하면서 생기는 손실

 

 2. 부하손(가변손) - 부하에 따라 변화하는 손실

         1) 동손(Pc = I^2R) - 코일에 전류가 흘러서 도체 내에 발생하는 저항 손실 (구리손, 저항손)

         2) 표류부하손 - 측정, 계산이 불가한 손실

 

 

(4) 최대효율조건

 

직류 전동기에서는 무부하손과 부하손이 같아질 때, 변압기에서는 철손과 동손이 같아질 때

 - 변압기에서는 기계손이 없기 때문에 철손이 곧 무부하손(고정손)이다.