개념 한 쪽
워드-레오나드 방식은 M-G 세트에서 발전기 계자에 흐르는 전류를 조절하여 직류 전동기의 속도를 부드럽게 제어하는 고전적 방법이다. 이 방식은 발전기 측의 계자 전류 조작으로 출력 전압 극성과 크기를 바꾸어 전동기의 회전 방향과 속도를 제어한다. 유지보수와 설비 크기 등의 단점이 있으므로 특징을 분명히 이해해야 한다.
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출제기준 단원 「워드-레오나드 방식의 원리」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 속도 제어 방법 판별 | 1 | 직류엘리베이터 속도제어 방식 중 해당하지 않는 것을 가리기 |
| 특성·적용 범위 판단 | 1 | 직류 엘리베이터의 적용 특성과 한계를 판단하기 |
| 방식식별·방향전환 원리 | 1 | M-G 세트 계자 제어로 방향 전환 원리를 설명하거나 식별하기 |
워드-레오나드 방식은 교류로 구동되는 모터와 직류 발전기·전동기를 한 세트로 구성한 M-G 세트를 이용하는 방식이다. 발전기의 계자 전류를 바꾸면 발전기 출력전압이 변하고, 이 전압이 직류 전동기의 속도를 결정하므로 계자 제어가 핵심 역할을 한다. 이 원리는 계자 전류를 미세하게 조절하여 속도를 연속적으로 변화시키는 데 유리하다는 장점을 가진다.
계자 전류 방향을 반전시키면 발전기에서 나오는 전압의 극성이 바뀌므로 전동기의 회전 방향이 전환된다. 따라서 승강기의 상승과 하강 같은 방향 전환은 발전기 계자전류의 극성 반전으로 구현한다. 이 점은 워드-레오나드 방식의 방향 제어 원리를 이해하는 핵심이다.
워드-레오나드 방식의 단점으로는 회전식 M-G 세트를 포함하므로 설비가 대형화되고 소음·진동이 발생할 수 있으며, 회전 기계 부품으로 인한 유지보수 부담이 크다는 점이 있다. 이러한 특성 때문에 현대에는 VVVF 등 인버터 기반 방식이 대체 기술로 널리 사용되는 경우가 많다.
워드-레오나드 방식과 구분되는 방식으로는 정지 레오나드 방식이 있는데, 정지 레오나드는 발전기 대신 정지형 반도체 소자를 이용하여 전동기 전압을 제어하는 점에서 차이가 있다. 또한 전압 제어와 주파수 제어를 혼동하지 말아야 하며, 사이리스터 점호각 제어는 정지형 반도체 기반 제어의 핵심이라는 점을 구분한다.
대표적 문제 유형은 'M-G 세트'와 '계자 제어'를 연결하여 워드-레오나드 방식을 고르는 경우이다. 예컨대 "M-G 세트의 계자 전류를 제어하여 전동기 속도를 조절하는 방식"이라는 기술적 서술이 나오면 워드-레오나드 방식을 선택하면 된다.
다른 예로 방향 전환 방법을 묻는 문제에서는 '발전기 계자전류 방향 역전 → 발전전압 극성 반전 → 전동기 회전 방향 전환'이라는 단계적 논리를 적용하여 정답을 판단한다. 유지보수 관련 선지는 회전식 설비의 번거로움을 근거로 오답으로 소거한다.
직류엘리베이터의 속도제어방법이 아닌 것은?
정답 ④ · 직류엘리베이터의 속도 제어 방식으로는 전기자(ARMATURE) 저항 제어(직렬, 직병렬), 계자(SHUNT FIELD) 제어, 워드 레오나드 방식 등이 있습니다. 다이내믹 브레이크(DYNAMIC BRAKE)는 전동기를 발전기로 작동시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 소멸시키는 '제동(Braking)' 방식이지, 가속 또는 속도 조절을 위한 '속도제어' 방식은 아닙니다.
직류전동기의 속도제어는 전기자 저항, 직병렬 저항, 계자 제어가 해당하며 다이내믹 브레이크는 제동 방식이므로 속도제어 방법이 아니다.
직류 엘리베이터의 속도제어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
정답 ④ · 과거 직류(DC) 엘리베이터는 속도 제어가 매우 매끄러워 승차감이 우수하며(1번), 주로 중고속(90~105m/min 기어드, 120m/min 이상 기어리스) 영역에서 사용되었습니다(2번, 3번). 하지만 초고속 엘리베이터(분속 200m 이상 등)는 유지보수가 어렵고 효율이 떨어지는 직류 방식 대신, 제어 기술의 발달로 인해 현재는 교류 인버터(VVVF) 방식이 주로 사용됩니다.
직류 엘리베이터는 제어 용이성과 승차감 우수성이 특징이나, 초고속용으로는 효율과 유지보수 측면에서 교류 인버터 방식이 주로 사용된다.
직류 엘리베이터의 특징이 아닌 것은?
정답 ④ · 직류 엘리베이터는 교류 엘리베이터에 비해 속도 제어가 매우 매끄럽고 폭넓아 승차감이 우수하지만, 일반적으로 전동기의 최대 회전수는 교류 전동기에 비해 느린 특성을 가집니다. 따라서 전동기의 회전수가 교류 전동기보다 빠르다는 설명은 직류 엘리베이터의 특징이 아니므로 4번이 올바른 정답입니다.
직류 전동기는 속도 제어가 우수하지만 회전수가 교류 전동기보다 느린 것이 일반적 특징이다.
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