직류전동기 일반사항

1. 구조 및 원리

브러시 양단에 직류전압을 인가하면 전기자 도체에 전류가 흘러 자속을 자르게 되므로 플레밍의 왼손법칙에 의해 전기자 도체가 회전한다.
도체가 회전하면 플레밍의 오른손 법칙에 의해 역기전력이 발생하나 이를 이길 수 있는 직류단자전압을 공급하면 전동기가 계속 회전하게 된다.
, ,
E = K₁φ N, I = K₂φ Ia

2. 종류 및 특성

2-1. 종류

종류

구조

특성

용도

타

여

자

A:전기자
If:타여자 계자전류
Ia: 전기자 전류
F:여자권선

세밀하고 광범위한 속도제어가 된다

대형 압연기
고급 승강기

자

여

자

직

권

A:전기자
I = If :부하전류 (Ia+If) 계자전류
Fs:여자권선 직권

기동토크가 가장크다
무부하로 운전시 속도가 현저하게 상승한다.

전차, 전동차
크레인

분

권

A:전기자
I:부하전류
If:분권 계자전류
Ia: 전기자 전류
F:여자권선

유도전동기와 특성이 거의 비슷하며 거의 사용하지 않는다.

공작기계
콘베이어

복

권

A:전기자
I:부하전류
If:분권 계자전류
Ia: 전기자 전류
F:여자권선

정속도성 및 속도변동율이 큰 것 2종류가 있다.
최대기동토크 450%

분쇄기, 절단기
권상기
왕복동 펌프

2-2. 특성

3. 특징

3-1. 장점

속도제어가 용이하게 되지만 가격이 비싸고 정기적 보수점검이 필요하다.
기동 및 가속토크의 임의 선정이 된다
기동토크가 큰 부하에 적합하다.

3-2. 단점

교류를 직류로 바꾸는 전원변환장치가 필요하다.
통신장애 발생.(고전압 고속화에는 영향을 받는다)
환경의 제약을 받는다
가격이 비싸다

4. 시동과 역전

4-1. 시동

직류전동기 전기자 전류는 운전 중에는 역기전력 E에 의해 적당한 값으로 유지되나 전동기 정지상태에서 전기자 저항은 대단히 작은 값이므로 전동기에 큰 시동전류가 흘러서 배전선 및 전원에 악영향을 주고 전동기의 소손 우려가 있다.
따라서 직접전원투입이 불가능하므로 저항을 이용한 기동기를 사용하여 직류 전동기를 기동 시킨다.

4-2. 역전

계자회로나 전기자회로 중 한쪽의 접속을 바꾸어 회전자계의 방향을 바꾸어 준다.

5. 속도제어

에서
전압(V)제어, 계자(φ)제어, 저항(Ra)의 방법이 있다.

5-1. 계자제어법(Field Control)

전기자저항과 단자전압을 일정하게 하고 계자회로의 전류를 변화(계자회로 조정저항으로 변화시킴)시켜서 속도를 제어하는 방식으로 속도는 계자전류에 반비례한다.(계자회로가 끊어지면 속도는 위험할 정도로 높아진다)
정속도에어와 가변속제어 모두 가능하다.
속도를 0에서 기준 속도까지 변화시킬 때에는 일반적으로 전기자전압제어를 사용하고, 기준속도 이상으로 속도를 증가시킬 때에는 계자전류를 줄이는 약계자방식을 사용한다.
전기자 전류가 정격을 넘지 않으면 기준속도 이상의 속도에서는 출력이 일정하도록 제어하는 일정출력 운전을 해야 한다.
전류가 적게 드는 계자회로에서 시행하기 때문에 적용하기가 쉽고 비용이 적게 든다. 그러나 계자회로의 인덕턴스가 크기 때문에 계자회로의 전류변화가 느려서 속도응답이 늦다.
분권, 복권 전동기에 이용되며, 제어범위에 한계가 있다.

5-2. 저항제어법(Armature Resistance Control)

단자전압과 계자전류를 일정한 정격값으로 유지하고 전기자회로의 저항을 변화시켜 속도를 변화시킨다
저항제어법은 적용하기가 쉽다, 그러나 저항의 손실 때문에 효율이 낮다.(많은 차량에서는 아직도 이 방식을 사용하고 있다)
저항에는 전기자전류가 흘러야 하므로 계자조정저항보다 대용량으로 되어 가격이 비싸다
직권전동기에 이용되며, 운전효율이 떨어지고 속도가 불안정하다.

5-3. 전압제어법(Amature Voltage Control)

광범위(속도 0에서 기준속도까지 연속적으로 변화시킬 수 있다)한 속도제어가 가능하고 착상 값이 양호하다.- 기준속도란 정격단자전압에서의 속도를 말한다.
Motor - Generator Set 또는 직류전원장치(최근에는 사이리스터 방식 채용)가 필요하고 효율이 65% 이하로 낮아진다.
엘리베이터나 크레인과 같이 부하토크가 일정한 경우 속도는 단자전압에 따라서 직선적으로 변하고, 단자전압이 일정하고 부하토크가 변하면 속도는 단자전압에 따라 변한다.-양쪽다 선형적으로 변화한다.
실제로 단자전압이 변해서 속도가 변화할 때 전기자 전류는 일정하므로, 역기전력은 단자전압에 비례하고 속도는 단자전압에 비례하므로 단자전압이 증가하면 속도가 선형적으로 증가한다.(폐루프제어를 함)

5-4. 워드레오너드방식, 일그너방식

워드레오나드 방식

주 여자 전동기로 타여자 전동기를 사용하고, 타여자 전동기의 전원으로 타여자 발전기를 사용한다.
계자저항 R₁을 가감하여 발전기 전압을 변화 시킨다.
F_G의 극성을 반대로 하면 전동기의 회전방향도 반대로 된다.
Rf는 직류 전동기 계자제어용
타여자 발전기의 원동기로는 유도전동기를 사용하고 축에 큰 플라이 휠을 붙인 유도 전동기로 운전하여 급격한 변동에 대응하도록 한 것이 일그너 방식이다.
근래에는 타여자 발전기 대신 사이리스터를 이용한 정지형 사이리스터 레오너드 방식이 효율이 향상된 방식으로 채용되어지고 있다.

일그너방식

사이리스터 레오나드방식

5-5. 반도체소자제어

최근에는 회전부가 있는 전동기-발전기 세트를 대신해서 반도체소자를 이용한 변환기를 사용해서 직류 전동기의 속도를 제어한다. 그림은 반도체 소자 변환방식의 블록선도이며 제어정류기(Controlled Rectifier) 또는 Chopper가 사용된다.

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직류 전동기 진단장비 상품화