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전기기사 전기기기 · 직류전동기의 속도제어

전압 · 저항 · 계자: 3가지 방법

직류 전동기의 속도는 N = (V − IaRa)/(KΦ) 에서 바꿀 수 있는 세 가지, 곧 공급 전압 · 전기자 회로 저항 · 계자 자속으로 조절한다. 전압을 낮추면 정격 아래에서 속도가 고르게 내려가고(정토크), 계자 자속을 줄이면 정격 위로 속도를 올릴 수 있다(정출력). 전기자에 저항을 넣는 방법은 간단하지만 그 저항에서 열로 버리는 전력이 커서 요즘은 거의 쓰지 않는다. 세 버튼으로 제어 방법을 고르고 아래 슬라이더를 움직이면, 식의 해당 항과 N 값, 속도 막대, 그래프 위의 점이 함께 바뀐다.

속도를 바꾸는 세 가지 방법

속도 공식
N = V − Ia(Ra + Rx)KΦ
V, 전기자 회로 저항, Φ 가운데 하나를 바꾸면 속도가 바뀐다
🎮 식에서 손댈 수 있는 것은 셋
N = (V − Ia·Ra)/(KΦ) 에서 세 군데를 바꿀 수 있다.
①V 를 바꾼다: 전압 제어(분자)로 정토크 특성이다.
②Ra 에 저항 Rx 를 더한다: 저항 제어(분자)로 열 손실이 크다.
③Φ 를 바꾼다: 계자 제어(분모)로 정출력 특성이다.
④장단점이 서로 달라 쓰임에 맞춰 고른다.
🎶 세 방법 견주기
무엇을 바꾸느냐에 따라 에너지를 쓰는 방식이 다르다.
①전압 제어: 공급 전력 자체를 줄이므로 낭비가 적다.
②저항 제어: 남는 전압을 저항에서 열로 태워 버린다.
③계자 제어: 작은 계자 전류만 다루므로 손실이 적고 정격 위로 속도를 올릴 수 있다.

직접 바꿔 보기

220 V

전압 제어: 정토크 특성

🔋 전압 V 를 낮추면 속도가 내려간다
V 슬라이더를 움직이면 그래프가 거의 직선이다.
①N 이 V 에 거의 비례해 가장 알기 쉬운 속도 제어다.
②Φ 가 일정하므로 같은 전류에서 토크 T = KΦIa 도 일정한 정토크 특성이다.
③넓은 범위를 부드럽게 다룰 수 있고 효율도 높다.
④대신 전압을 바꿀 수 있는 전원이 따로 있어야 해서 비싸다.
🏭 워드 레오나드 · 일그너 방식
①워드 레오나드: 원동기 → 타여자 발전기 → 전동기의 세 대로 이뤄진다
②발전기의 계자를 조절해 출력 전압을 바꾸고, 그 전압으로 전동기 속도를 바꾼다
③정 · 역회전과 가속 · 제동이 모두 되는 4 상한 운전이 가능하다
④일그너: 워드 레오나드에 플라이휠을 더해 부하 변동을 흡수한다
⑤요즘은 사이리스터나 IGBT 로 전압을 바꾸는 장치가 그 자리를 대신한다

저항 · 계자 제어

🔥 저항 제어: 효율이 낮다
전기자 회로에 저항 Rx 를 직렬로 넣는다.
①N = (V − Ia(Ra + Rx))/(KΦ) 에서 Rx 를 키우면 분자가 줄어 N 이 내려간다.
②Rx 에서 Ia²·Rx 만큼 전력을 열로 버린다.
③정격 속도 아래로만 조절할 수 있다.
④부하에 따라 속도가 크게 흔들려 속도 안정성이 떨어진다.
⑤간단하고 싸지만 요즘은 거의 쓰지 않는다.
🧲 계자 제어: 정출력 특성
Φ 슬라이더를 100% 아래로 내리면 속도가 올라간다.
①N = (V − IaRa)/(KΦ) 에서 Φ 가 줄면 분모가 작아져 N 이 커진다.
②P = Tω 에서 Φ 가 줄면 T 는 줄고 N 은 늘어 출력 P 가 거의 일정한 정출력 특성이다.
③정격 속도 위로 올리는 가장 경제적인 방법이다.
④계자 저항기로 계자 전류를 줄이면 되므로 다루는 전력이 아주 작다.
⑤보통 정격 속도의 2 ~ 3 배까지 쓰며, 자속을 지나치게 줄이면 속도가 폭주할 수 있다.
전압 제어
N ↓, T 일정 → 정토크
정격 아래 속도 영역
계자 제어
N ↑, P 일정 → 정출력
정격 위 속도 영역

시험 정리

속도 공식
N = V − Ia · RaKΦ = K' V − Ia RaΦ
V, 전기자 회로 저항, Φ 세 가지로 속도를 조절한다
전압 ↓
속도 ↓
정토크 특성
저항 ↑
속도 ↓
열 손실이 큼
자속 ↓
속도 ↑
정출력 특성
📝 시험 포인트
①전압 제어: N ∝ V, 정격 아래, 정토크 특성, 워드 레오나드 · 일그너 방식
②저항 제어: 전기자에 Rx 를 넣으며 정격 아래, 열 손실이 커 효율이 낮다
③계자 제어: Φ 를 줄이면 N 이 오르고 정격 위, 정출력 특성, 경제적이다
④워드 레오나드: 원동기 + 발전기 + 전동기 세 대로 4 상한 운전을 한다
⑤일그너: 워드 레오나드에 플라이휠을 더해 부하 변동을 흡수한다
⑥계자 제어에서 Φ 가 0 에 가까워지면 속도가 폭주하므로 최소 자속을 꼭 남겨 둔다
📝 대표 기출 유형
①[계자 제어] 직류 분권 전동기를 정격 속도 위로 올리는 방법 → 계자 저항을 키워 Φ 를 줄이는 계자 제어
②[정출력] 계자 제어의 특성 → 속도가 오르면 토크가 줄어 P = Tω 가 거의 일정한 정출력 특성
③[워드 레오나드] 워드 레오나드 방식의 구성 → 원동기 + 타여자 직류 발전기 + 직류 전동기이며 4 상한 운전이 된다
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