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전기기사 전기기기 · 정류 작용

Commutation: 직선·부족·과정류와 보극

정류는 전기자 코일이 브러시 밑을 지나는 짧은 시간 Tc 동안 코일 전류가 +I 에서 −I 로 뒤집히는 과정이다. 그동안 전류가 고르게 바뀌는 직선 정류가 이상적이고, 코일의 인덕턴스가 만드는 리액턴스 전압 때문에 끝에서 급히 바뀌는 부족 정류가 되면 브러시에서 불꽃이 튄다. 전기자 반작용이 중성축을 옮기면 정류가 더 나빠지므로, 보극과 보상 권선으로 리액턴스 전압과 반작용을 함께 지워 줘요. 세 정류 버튼과 보극 버튼, 정류 진행 슬라이더를 움직이면 아래 전류 곡선 모양과 불꽃이 나는 자리, 정류자편의 위치가 함께 바뀌어요.

전류 방향이 바뀌는 순간

🔄 정류란
전기자 코일이 N 극 밑에서 S 극 밑으로 옮겨 가면 코일 전류의 방향도 바뀌어야 한다.
①+I 에서 −I 로 바뀌는 이 과정이 정류다.
②전환은 브러시가 정류자편을 지나는 짧은 시간 Tc 동안 일어난다.
③Tc 동안 전류가 어떤 모양으로 바뀌느냐가 정류의 좋고 나쁨을 가려요.
🚗 세 가지 정류 모양
같은 Tc 동안 전류가 바뀌는 빠르기의 분포가 다르다.
①직선 정류: 처음부터 끝까지 같은 빠르기로 바뀌어 불꽃이 없다.
②부족 정류: 처음에는 느리다가 끝에서 급히 바뀌어 브러시 뒤쪽 끝에서 불꽃이 난다.
③과정류: 처음에 너무 빨리 바뀌어 브러시 앞쪽 끝에서 불꽃이 날 수 있어요.

전기자 반작용

🧲 전기자 반작용이란
전기자에 전류가 흐르면 전기자 전류도 자속을 만든다.
①이 자속이 계자의 주자속을 비틀어 놓는다.
②그 결과 주자속이 줄어 유기 기전력이 줄어든다.
③자속밀도가 0 인 자리, 곧 중성축이 옮겨 간다.
④발전기에서는 회전 방향으로, 전동기에서는 회전 반대 방향으로 옮겨 가요.
⚡ 전기자 반작용이 미치는 영향
①감자 작용: 주자속이 줄어 발전기의 전압이나 전동기의 토크가 줄어든다
②교차 자화 작용: 극면의 자속 분포가 한쪽으로 쏠린다
③중성축이 옮겨 가면 브러시 위치가 맞지 않아 정류가 나빠진다
④보상 권선: 극면에 감아 전기자와 직렬로 이어 반작용을 지우며, 큰 기계에 써요
전기자 반작용 요약
감자 작용 → 주자속 Φ ↓ → E ↓, 교차 자화 → 중성축 이동
발전기는 중성축이 회전 방향으로, 전동기는 반대 방향으로 옮겨 간다

세 가지 정류 모양

50%
✅ 직선 정류(이상적)
전류가 +I 에서 −I 로 고른 빠르기로 바뀌어 곡선이 직선이다.
①Tc 가 끝나는 순간 전류가 정확히 −I 에 이른다.
②브러시가 정류자편을 떠나는 순간 전류가 급히 바뀌지 않아 불꽃이 없다.
③모든 직류기가 다다르려는 이상적인 정류예요.
❌ 부족 정류(가장 흔한 문제)
부족 정류 버튼을 누르면 곡선이 위로 볼록해진다.
①전류가 처음에는 느리게 바뀌다가 Tc 끝에서 급히 바뀐다.
②브러시가 정류자편을 떠날 때까지 전환이 덜 되어 남은 변화가 한꺼번에 일어난다.
③이 급변이 정류자와 브러시 사이(뒤쪽 끝)에 불꽃을 만든다.
④원인은 코일 인덕턴스 L 이 만드는 리액턴스 전압이에요.
⚡ 과정류
과정류 버튼을 누르면 곡선이 아래로 볼록해진다.
①전류가 정류 초기에 너무 빨리 바뀌어 Tc 가 끝나기 전에 −I 근처에 이른다.
②이번에는 정류가 시작되는 브러시 앞쪽 끝에서 불꽃이 날 수 있다.
③보극이 지나치게 세면 생기므로 보극 세기를 알맞게 맞춰야 해요.

보극과 정류 개선

🧲 원인은 리액턴스 전압
코일에는 자기 인덕턴스 L 이 있다.
①전류가 바뀌면 L·(di/dt) 의 유도 기전력이 생긴다.
②이 기전력은 렌츠 법칙대로 전류 변화를 방해한다.
③전류가 +I 에서 −I 로 바뀌려는 것을 L 이 버틴다.
④그래서 전류 변화가 늦어져 부족 정류가 돼요.
리액턴스 전압
eR = 2I × LTc
I: 정류 전 전류, L: 코일 인덕턴스, Tc: 정류 시간
🧲 보극(Interpole)의 원리
보극 버튼을 켜면 어느 곡선이든 직선 정류로 바뀐다.
①보극은 주극 사이에 두는 작은 보조 극이다.
②정류 중인 코일에 리액턴스 전압을 지우는 기전력을 만든다.
③그래서 부족 정류가 직선 정류로 고쳐진다.
④보극 권선은 전기자와 직렬이라 부하가 바뀌어도 저절로 따라가요.
⚙️ 보극의 극성과 특징
①발전기의 보극 극성은 회전 방향으로 다음에 오는 주극과 같다
②전동기는 그 반대로, 회전 방향 뒤쪽 주극과 같다
③보극 권선은 전기자와 직렬이라 Ia 에 비례하는 자속을 만든다
④부하가 클수록 리액턴스 전압과 보극 자속이 함께 커져 저절로 보상돼요
보극의 역할
보극 기전력 ≈ 리액턴스 전압(서로 지움)
보극이 정류 중인 코일의 리액턴스 전압을 지운다
🔧 정류를 좋게 하는 조건
①보극을 단다: 가장 효과적이다
②탄소 브러시를 쓴다: 접촉 저항이 커서 단락된 코일의 순환 전류가 준다
③코일 인덕턴스 L 을 줄인다(코일 감은 수를 줄임)
④정류 시간 Tc 를 늘린다(브러시 폭을 넓히거나 정류자 주변 속도를 낮춤)
⑤큰 기계는 보극과 보상 권선을 함께 써요

시험 정리

직선 정류
이상적
불꽃 없음
부족 정류
가장 흔함
불꽃 발생(뒤쪽 끝)
과정류
정류 앞쪽에서 급변
불꽃 발생(앞쪽 끝)
리액턴스 전압
eR = 2ILTc
정류를 방해하는 주범. L 을 줄이고 Tc 를 늘리면 eR 이 줄어 정류가 좋아진다
📝 시험 포인트
①정류는 Tc 동안 코일 전류가 +I 에서 −I 로 바뀌는 과정이다
②직선 정류가 이상적이고, 부족 정류가 가장 흔한 문제다
③부족 정류의 원인은 코일 자기 인덕턴스 L 이 전류 변화를 방해하는 것이다
④정류를 좋게 하는 조건은 L ↓, Tc ↑, 보극, 탄소 브러시다
⑤보극 극성은 발전기에서 회전 방향 다음 주극과 같고, 전동기는 반대다
⑥전기자 반작용은 감자 작용(주자속 ↓)과 교차 자화(중성축 이동)다
⑦보상 권선은 극면에 감아 전기자와 직렬로 이어 반작용을 지워요
📝 대표 기출 유형
①[양호한 정류] 직류기에서 양호한 정류를 얻는 조건 → 보극 설치, 탄소 브러시, 코일 인덕턴스 L ↓, 정류 주기 Tc ↑
②[전기자 반작용] 전기자 반작용의 영향이 아닌 것 → 「속도가 일정해진다」(주자속 감소 · 중성축 이동 · 정류 악화는 반작용의 영향)
③[보극 권선] 보극 권선을 잇는 방법 → 전기자와 직렬이라 부하에 따라 저절로 커져요
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