직류 전동기

4.3 직류 전동기

발전기 : 입력은 기계적인 힘, 출력은 전력이다.

전동기 : 입력은 전력이고, 출력은 기계적인 힘이다.

두 가지 동작 모드에서 전기자 권선은 자계 속에서 회전하고 전기자 권선에는 전류가 흐른다. 따라서 식 (4.9)와 (4.17)의 기본 방정식은 두 동작모드에 적용할 수 있다.

(4.9)

(4.17)

4.4.1 분권 전동기

  n전기자 회로와 분권 계자 회로는 일정 직류 전압원Vt에 병렬로 접속되어 있다.

n계자 회로에 외부 계자 조정저항을 삽입하여 전동기의 속도를 조절한다.

n계자 회로와 전기자 회로 모두가 일정 직류 전원에 연결되어 있기 때문에 타여자일 때와 분권여자일 때의 결선은 동일하다.

  n정상상태 동작 방정식

전력의 흐름과 효율

그림 4.49a 내분권 형태의 복권 직류전동기를 표시, (b)는 발전기로 동작하는 직류기의 여러 가지 전력과 손실을 표시, (c)는 전동기로 동작하는 직류기의 여러 가지 전력과 손실을 표시한 것이다.

n직류기의 효율은 다음과 같이 표시할 수 있다.

토크-속도 특성 곡선

직류전동기 : 기계적인 부하를 구동하는 데 사용
n전동기에 인가된 부하의 크기가 변하더하도 속도가 일정해야 하는 경우

   n넓은 범위에 걸쳐 속도를 변화시켜야 하는 경우

n타여자 직류 전동기의 토크-속도 곡선

 (4.39)

 

(4.40)

(4.41)

(4.42)

단자 전압과 Vt와 자속Ф가 일정하다면 토크-속도 특성 곡선은 그림 4.51과 같다.

   �속도 변동율이 우수하다.(즉 토크가 증가해도 속도는 크게 감소하지 않는다.)

�전기자 반작용이 발생하면 자속 Ф가 감소하기 때문에 속도는 그림 4.51보다 더욱 감소한다.(즉 전기자 반작용은 직류기의 속도 변동율을 증가시킨다.)

n속도 제어방식

        1.전기자 전압 제어(Vt)

2.계자 제어(Ф)

3.전기자 저항 제어(Ra)

전기자 전압 제어

v전기자 회로의 저항(Ra)와 계자 전류(If) : 고정(constant)

v속도제어 : 전기자 단자 전압 Vt 변화

n전기자 반작용을 무시한 속도식은 다음과 같다

(4.43)

여기서 K1=1/KaФ

K2=Ra/(KaФ)2

�부하토크가 일정한 경우(a) : 속도는 단자 전압 Vt에 따라 선형적으로 변한다.

�단자 전압이 일정하고 부하 토크가 변하면 속도는 Vt에 의해 조정할 수 있다.(b)

�단자 전압을 조정하여 속도가 변할 때 전기자 전류는 일정하므로 식(4.39)에서 다음을 알 수 있다.

즉 Vt가 증가하면 속도가 선형적으로 증가한다.(c)

�Ia가 일정하면 토크도 일정하다.(식, 4.40)

�전원으로부터 공급되는 입력 전력(P=VtIa)도 일정하다.(c)

�Ra를 무시하면 속도가 0일때 Vt,Ea, P 는 0이고, 속도가 증가함에 따라 선형적으로 변한다.(d)

n전기자 전압 제어 방식의 특징

�속도를 0에서 기준 속도까지 연속적으로 변화시킬 수 있다.

�전기자 회로에 가변 직류 전압을 공급해야 하기 때문에 비용이 많이 든다.

계자 제어(Field Control)

  v전기자 회로의 저항(Ra)와 단자 전압 Vt: 고정(constant)

v속도제어 : 계자회로의 계자 전류(If), 계자회로 내의 저항 조정기(Rfc)를 이용해 전류를 조정

n자기회로 특성이 선형이라면 자속 Ф는 계자 전류 If 에 비례한다.

(4.44)

(4.45)

n무부하시의 속도 ωm : 계자 전류에 반비례한다. 계자 회로가 끊어지면 속도는 위험할 정도로 높아진다.

n임의의 If 에 대한 속도 ωm

(4.46)

여기서 : 무부하 속도

If 값이 고정되었을 때 부하 토크가 증가하더라도 속도는 특정범위 내에서 거의 일정하다. (c) If 를 조절하면 속도를 바꿀 수 있다. 따라서 정속도 제어뿐만 아니라 가변속 제어에도 사용될 수 있다.

n일정 출력 운전

   �전기자 전압 제어 : 속도를 0에서 기준 속도까지 변화시킬 때

�약계자 방식 : 기준 속도 이상으로 속도를 증가시킬 때 계자 전류를 줄여 출력이 일정하도록 제어

�약계자 영역에서는 속도가 증가하면 토크는 감소한다.

n계자 제어의 특성

저전력의 계자회로에서 수행하기 때문에 적용하기 쉽고 비용이 적게 든다.

계자 회로의 인덕턴스가 크기 때문에 계자회로의 전류 변화가 느려 속도 응답이 늦다.

전기자 저항제어

v계자 전류(If)와 단자 전압 Vt: 고정(constant)

 v속도제어 : 전기자 회로의 저항을 바꾸어서 속도제어, 저항 조정기(Rae)를 이용해전류를 조정

n속도는 식(4.42)로부터

(4.47)

(4.46)

여기서 : 무부하 속도

n그림(b)에 전기자 회로의 여러가지 외부 저항치에 대한 속도-토크 특성을 보여주고 있다. 전기자 전류 Ia

(결국 토크)가 일정한 상태에서 다양한 속도를 얻기 위해서는 Rae 를 조정한다.

n그림 4.54c는 일정 토크 운전을 할 때의 속도 저항 특성 곡석이다.

n그림 4.54d에서와 같이 일정 토크에서 외부 저항 Rae 를 변화시킴으로써 속도는 0에서부터 기준속도까지 제어 할 수 있다.

n전기자 저항 제어의 특성

설치하기 쉽다.

Rae에서 발생하는 저항손실 때문에 효율이 낮다.

Rae 는 가격이 비싸다.

4.4.2 직권 전동기

n외부 저항 Rae

①전기자와 직렬로 연결

  ②직권 직류 전동기의 속도를 제어

n자속 Φ

권선수 Nsr인 직권 계자 권선에 흐르는 전기자 전류에 의해서 발생

n속도 토크 큭성 곡선

전동기의 기본식 (4.9), (4.17)에서

(4.9)

(4.17)

여기서 선형적인 자기 회로라면

(4.49)

(4.50)

(4.51)

식(4.51)에서 직권 직류 전동기는 교류전류나 직류 전류의 방향에 관계없이 달일 방향의 토크를 발생시키는 것을 의미한다.

그림 4.55a로부터

(4.52)

(4.53)

(4.54)

vRae가 고정되었다면 속도는 토크의 제곱근에 반비례한다.

 v저속에서는 큰 토크를 발생하며, 고속에서는 작은 토크가 발생한다.

 v큰 기동 토크가 필요한곳(전철, 자동차 시동기, 크레인, 믹서)에 사용된다.

4.4.3 기동기(Starter)

n 필요성 : 직류 전원에 직접 연결한면 기동 전류가 대단히 커진다. 따라서기동 전류를 안전하게 낮추기 위해 기동기가 필요하다.

(4.55)

(4.56)

여기서 Ra가 작기 때문에 기동 전류가 대단히 크다.

기동 전류 제한 방법

1.기동시 외부 저항 Rae를 넣음

전기자에서 흐르는 전류는 다음수식으로 나타낼 수 있다.

(4.57)

속도가 증가함에 따라서 외부 저항 Rae의 값을 점차 줄여나가 전기자 전류를 일정값을 넘지 않는다.

2.기동시 직류 단자 전압 Vt를 낮춤. 가변 직류 전압원 필요.