직류기 정리와 기출문제

정답 ④

학교 행사 때 마이크를 쓰려면 담당 선생님이(외부 도움) 켜줘야 하듯이, 타여자 발전기는 '외부에서 따로 전원(전기)'을 받아서 계자 코일(전자석을 만드는 코일)에 흘려보냅니다.

그래서 철심(쇳덩이)에 자기가 조금도 남아있지 않아도 괜찮아요. 외부 전원이 알아서 자기를 만들어주니까요.

반면에 ①②③(분권, 직권, 복권)은 자여자 방식인데, 이건 '스스로' 발전하는 방식이라 처음 시동을 걸 때 철심에 남아있는 잔류 자기(쓰고 남은 자기)가 반드시 필요합니다.

이런 문제가 나오면 → '잔류자기 필요 없다 = 외부 전원 쓴다 = 타여자'로 바로 연결하면 됩니다.

근거 : 정답 근거: 타여자 발전기는 외부의 독립된 직류 전원에서 계자 전류를 공급받아 자속을 형성하므로 계자 철심의 잔류자기와 무관하게 발전이 가능하다.

정답 ④

직류 발전기가 돌아가면 코일이 자석의 자력선을 지나면서 전기가 만들어져요. 문에서 '파권(물결 모양으로 도선을 감은 방식)'이라고 했으면 병렬회로수(전기가 흐르는 길의 개수) a는 항상 2라고 외우면 됩니다.

공식: $E=\frac{Z\Phi PN}{60a}$

여기에 넣어볼게요.

Z(도체 수) = 400

Φ(한 극당 자속) = 0.02

P(극 수) = 10

N(1분당 회전 수) = 600

a(병렬회로수) = 2 (파권이니까!)

곱하면 400 × 0.02 = 8

8 × 10 = 80

80 × 600 = 48000

나누면 60 × 2 = 120

48000 ÷ 120 = 400V

이런 문제가 나오면 → '파권은 a=2, 중권은 a=P(극수)'만 구분하면 계산은 그냥 대입이다.

근거 : 핵심 공식: $E=\frac{PZ\Phi N}{60a}$, 파권 a=2, 중권 a=P.

정답 ①

자전거 발전기로 램프 불이 켜지는 것처럼, 코일(도선)을 자석 사이에서 움직이면 전기가 만들어지죠. 이렇게 '움직여서 전기를 만드는' 방향을 알려주는 게 플레밍의 오른손 법칙입니다.

오른손을 펴서

엄지 = 도체의 운동 방향

검지 = 자기장(N에서 S로)

중지 = 유도되는 기전력(전기가 나가는 방향)

전기를 '만들어내는' 기기 = 발전기이므로 교류발전기입니다.

③ 전동기는 반대로 전기를 넣어 움직이는 기기라서 왼손 법칙(힘의 방향)을 씁니다.

이런 문제가 나오면 → '오른손은 발전, 왼손은 전동(우발좌전)'만 외우면 바로 풀립니다!

근거 : 정답 근거: 플레밍의 오른손 법칙은 자기장 내에서 도체가 운동할 때 유도되는 기전력의 방향을 결정하는 법칙으로, 발전기의 동작 원리에 해당한다.

정답 ②

선풍기 방향을 바꾸고 싶을 때 모터 안의 자석과 코일 중 하나만 반대로 하면 반대로 돈다고 상상해보세요. 직류 전동기도 똑같습니다.

전동기가 도는 힘의 방향은 '전기자(도는 코일) 전류 방향'과 '계자(자석 부분)의 극성' 두 가지가 합쳐져서 결정됩니다.

둘 중 하나만 반대로 하면 힘의 방향이 반대가 되어서 회전 방향이 바뀝니다.

①번처럼 전원 극성을 통째로 바꾸면? 전기자와 계자가 둘 다 반대가 되어서 결국 원래 방향 그대로 돕니다.

이런 문제가 나오면 → '하나만 바꿔야 반대로 돈다, 둘 다 바꾸면 제자리'를 떠올리세요.

근거 : 정답 근거: 직류 전동기의 회전 방향은 전기자 전류 방향과 계자 자속(극성) 방향의 상대적 조합으로 결정된다.

정답 ④

직류 분권 전동기의 계자(전자석 코일)에 흐르는 전류가 자속(Φ, 자기장의 세기)을 만듭니다.

계자 저항을 크게 하면 같은 전압에서 계자 전류가 줄어들어 자속이 감소합니다.

회전속도는 N = K(E − IaRa)/Φ로 자속에 반비례합니다. 전동기는 역기전력 E를 유지해야 하는데, 자속이 약해지면 같은 E를 만들기 위해 더 빨리 돌아야 하므로 속도는 증가합니다.

따라서 실제 현상은 '자속 감소, 속도 증가'이고, ①자속 증가나 ②속도 감소는 정반대 설명입니다.

이런 문제가 나오면 → '계자를 약하게 하면(약계자) 오히려 빨라진다'는 반비례 관계로 기억합니다.

근거 : 핵심 공식: $N=K\frac{E-I_aR_a}{\Phi}$. 암기팁: '계자를 약하게(저항↑) 하면 회전은 더 빨라진다(약계자 제어)'로 기억한다.

정답 ②

전압 변동률은 '정격 부하 때의 정격전압에서 부하를 완전히 빼면(무부하) 전압이 몇 % 올라가는가'를 나타내는 값입니다.

공식: ε = (V₀ − Vn) / Vn × 100 [%] (V₀: 무부하 전압, Vn: 정격전압)

대입하면 (137 − 100) / 100 × 100 = 37%입니다.

가장 흔한 실수는 분모에 무부하 전압 137을 넣는 것인데, 그러면 (137−100)/137 ≈ 21%가 나와 ①을 고르게 됩니다. 변동률의 기준값은 정격전압으로 정해져 있습니다.

이런 문제가 나오면 → '분모는 항상 정격전압'을 확인하고, 큰 수(무부하 전압)를 분모에 두지 않도록 주의합니다.

근거 : 핵심 공식: $\epsilon=\frac{V_0-V_n}{V_n}\times100\%$. 암기팁: '변동률은 항상 정격전압(기준값)을 분모로 나눈다'로 기억한다.

정답 ③

발전기는 자석 사이를 코일이 돌아 전기를 만들어내는 기계예요. 코일 개수(Z)가 많고, 자석 셈(N, P)이 세고, 빨리 돌수록(회전수 N) 더 많은 전압이 만들어져요.

이 문제는 공식에 숫자를 넣는 계산 문제입니다.

공식: 전압 = (극수 × 도체수 × 자속 × 회전수) ÷ (60 × 병렬회로수)

여기서 '병렬회로수(a)'는 권선 방식에 따라 달라져요.

파권(물결 권선)이면 a=2, 중권(겹침 권선)이면 a=극수(P=6)입니다.

문제에서 '파권'이라 했으니 a=2!

계산:

$E = \frac{6 \times 220 \times 0.01 \times 1500}{60 \times 2}$

분자: $6 \times 220 \times 0.01 \times 1500 = 19800$

분모: $60 \times 2 = 120$

$E = \frac{19800}{120} = 165[V]$

이런 문제가 나오면 → '파권은 2, 중권은 극수'부터 먼저 확인하고 공식에 대입하자!

근거 : 핵심 공식: $E = \frac{PZ\Phi N}{60a}$, 파권 a=2, 중권 a=P.

정답 ④

직류전동기의 속도특성 곡선 중 직권 전동기에 해당하는 것을 고르는 문제이다. 직류전동기의 속도는 전압에서 전류와 저항의 곱을 뺀 값을 자속으로 나눈 값에 비례하므로, 자속이 커지면 속도는 느려진다. 직권 전동기는 계자권선과 전기자가 직렬로 연결되어 있어 부하가 커지면 전류와 함께 계자를 흐르는 전류도 커지고 자속도 함께 증가한다. 따라서 부하전류가 증가할수록 속도가 급격히 떨어지는 강한 수하특성 곡선을 나타내며, 이러한 곡선이 직권 전동기의 특성이다. 무부하 시에는 자속이 거의 없어 속도가 위험할 정도로 상승하므로 벨트 전동에 의한 기동이 필수적이라는 점도 함께 기억해 두면 좋다.

근거 : 핵심 공식: $N \propto \frac{V-I_a(R_a+R_s)}{\Phi}$, 직권기는 무부하 시 위험 속도(초고속) 도달 주의.