개념 한 쪽
공조냉동기계기사 직류전동기 및 발전기의 구조 및 원리 — 역기전력과 전기자반작용
직류기 자리에서는 회전 중인 전동기의 역기전력을 계산하는 문제가 먼저 나온다. 이어서 기동할 때 전류를 제한하는 저항을 구하는 계산, 전기자반작용이 일으키는 현상을 가려내는 문제, 토크가 자속과 전류에 어떻게 얽히는지 묻는 계산이 따라온다. 전동기의 종류와 쓰임을 짝지어 고르는 문제, 발전기에 적용되는 법칙을 묻는 문제도 함께 나온다.
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뜻
전동기가 돌아가고 있으면 전기자는 발전기처럼 기전력을 만들어 낸다. 이 기전력이 공급 전압과 반대 방향이라 역기전력이라고 부르고, 크기는 단자전압에서 전기자 저항에 의한 전압강하를 뺀 값이 된다. 전기자 전류 100 A, 단자전압 200 V, 전기자 회로 저항 0.2 Ω인 전동기라면 강하는 100 × 0.2 = 20 V이므로 역기전력은 200 − 20 = 180 V가 된다. 회전속도 1200 rpm은 이 계산에 들어가지 않으므로, 속도까지 곱해 버리면 값이 어긋난다.
기동할 때는 사정이 다르다. 정지해 있으면 역기전력이 0이라 전압이 전기자 저항에 그대로 걸려 매우 큰 전류가 흐르므로, 전기자 회로에 기동저항을 직렬로 넣어 전류를 눌러 준다. 단자전압 300 V, 전기자저항 0.3 Ω인 직류기가 정격 50 A의 1.7배인 85 A까지만 흘리도록 하려면, 옴의 법칙으로 필요한 총저항이 300 ÷ 85 ≈ 3.53 Ω이 되고 여기서 이미 있는 0.3 Ω을 빼서 기동저항이 약 3.23 Ω이 된다. 총저항을 그대로 답으로 적거나 전기자저항을 빼지 않는 것이 대표적인 함정이다.
전기자반작용은 전기자 전류가 만든 자속이 주자극의 자속을 왜곡하는 현상이다. 자속 분포가 비대칭이 되어 중성축이 이동하고, 극 끝에서 국부적인 섬락이 생기며, 발전기에서는 유도 기전력이 줄어든다. 반면 전동기의 속도가 저하된다는 설명은 부하나 전압 강하 같은 다른 요인의 결과이지 전기자반작용의 직접적인 현상이 아니므로, 옳지 않은 설명을 고르는 문제에서는 이 선지가 정답 자리에 선다.
토크는 자속과 전기자 전류의 곱에 비례한다. 전기자 전류 100 A에서 50 kg·m의 토크가 나오던 전동기에서 자계의 세기가 80퍼센트로 줄고 전류가 120 A로 늘면, 변화율을 곱해 50 × 0.8 × 1.2 = 48 kg·m가 된다. 두 변화율을 더하거나 하나만 반영한 값이 오답으로 깔린다.
종류와 쓰임도 함께 묶여 나온다. 직권전동기는 계자와 전기자가 직렬로 이어져 있어 토크가 커지면 속도가 낮아지고 출력이 대체로 일정해지므로 전차나 기중기에 쓰인다. 직류전동기는 계자 권선으로 자속을 조절해 속도 제어가 간단하고 기동토크가 커서 엘리베이터나 전차처럼 정밀한 제어와 큰 기동력이 필요한 곳에 쓰이고, 분권전동기는 속도가 일정한 특성을 가진다. 발전기 쪽에서는 도체가 자기장 속에서 움직여 기전력을 유도하므로 그 방향을 플레밍의 오른손 법칙으로 찾고, 전류가 흐르는 도체가 받는 힘을 다루는 왼손 법칙과 구별한다.
예제
출제 패턴은 세 가지다. ① 역기전력과 기동저항 — 저항 전압강하를 빼지 않은 값, 총저항에서 전기자저항을 빼지 않은 값, 회전속도를 곱셈에 끼워 넣은 값이 오답이다. ② 현상 가려내기 — 중성축 이동이나 섬락을 전기자반작용이 아니라고 뒤집은 선지, 전동기 속도 저하를 직접 현상으로 적은 선지가 함정이다. ③ 종류와 법칙 — 속도가 일정한 특성을 직권전동기에 붙이거나, 발전기에 왼손 법칙을 짝지은 선지, 토크 변화에서 자속과 전류의 변화율을 더한 값이 오답으로 나온다.
자주 묻는 물음
- 직류전동기의 역기전력은 어떻게 구하나요?
- 단자전압에서 전기자 저항에 의한 전압강하를 뺍니다. 전기자 전류 100 A, 단자전압 200 V, 저항 0.2 Ω이면 강하가 20 V이므로 역기전력은 180 V가 됩니다. 역기전력은 저항에 걸리지 않고 남은 전압이라는 뜻이므로, 강하를 더하거나 빼지 않으면 값이 틀어집니다.
- 기동저항은 왜 넣고, 값은 어떻게 구하나요?
- 정지 상태에서는 역기전력이 0이라 큰 전류가 흐르므로 전류를 제한하려고 넣습니다. 정격 50 A의 1.7배인 85 A까지만 흘리려면 필요한 총저항이 300 ÷ 85 ≈ 3.53 Ω이고, 여기서 전기자저항 0.3 Ω을 빼면 기동저항은 약 3.23 Ω입니다. 총저항에서 이미 있는 저항을 빼는 차액이라는 점이 핵심입니다.
- 전기자반작용이 일으키는 현상은 무엇인가요?
- 중성축 이동, 국부적인 섬락, 발전기의 기전력 감소입니다. 모두 자속이 왜곡되거나 약해진 결과입니다. 전동기의 속도 저하는 부하나 전압 강하의 영향이 크므로 전기자반작용의 직접적인 현상으로 보지 않습니다.
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