2.5 전기자 반작용
| 직류기 전기자 반작용 |
직류기에서의 계자는 고정자 있습니다. 전동기로 작용할 때는 회전자에 붙어있는 도체에 흐르는 전류가 암페어의 왼손법칙에 의해 일정한 방향으로 회전력을 발생하도록 전류의 방향이 조절됩니다. 이는 도체와 연결된 정류자와 이에 접촉하여 전류를 공급하는 브러시의 전류 방향을 바꾸어주는 기계 구조적인 역할로 자동적으로 이루어지게 되며 이러한 정류현상에 대하여는 지금까지 설명하였습니다. 마찬가지로 발전기의 경우에는 암페어의 오른손 법칙에 따라 발생된 교류 파형을 정류자와 브러시의 역할로 외부에 직류로 파형을 바꾸어 공급할 수 있도록 합니다. 이는 그림 2.9 와 같이 설명할 수 있습니다.
점선으로 그려진 경계선 (이를 보통 중성축 이라고 합니다) 을 통과하는 순간에 흐르는 전류의 방향이 바뀌는 작용이 브러시와 정류자를 통하여 일어납니다. 그리하여 전동기는 계속하여 원하는 방향으로 회전력을 얻을 수 있습니다. 발전기의 경우에도 이와 동일한 상황이나, 다른 점은 암페어의 오른손 법칙에 의한 전류가 발생한다는 것이며, 발생한 전류가 외부로 공급되는 과정에서 정류자와 브러시를 거친다는 사실입니다.
여기서 몇 가지 문제가 되는 상황을 가정합시다. 중성 축의 변화에 따라서 정확히 공급되는 (전동기의 경우) 혹은 발생되는 (발전기의 경우) 전류의 방향이 바뀌지 않을 경우에는 어떠한 현상이 발생할까요? 중성 축의 변화에 따른 전류의 반전이 전혀 일치하지 않는 경우에는 전동기와 발전기로서의 기본동작을 할 수 없을 것입니다. 약간의 오차가 있는 경우에는 그 동작 구간에서 전류는 그 설계의 목적과 반대되는 역할을 합니다. 전동기의 경우에는 현재 움직이고 있는 방향과 반대되는 방향으로 회전력을 발생하여 토크에 손실을 가져오며, 발전기의 경우에는 현재 공급하고 있는 전압을 감소하게 됩니다.
 그림 2.13 전기자 유기전압의 방향 |
전기자 반작용은 전기자 권선 (도체) 에 흐르는 전류 또한 자계가 발생하게 되며 이 자계에 의해 원래의 계자에서 발생된 자계 (이를 주 자계라고 합니다) 의 모양에 영향을 주어 원래 기계가 설계되었던 자계의 중성 축과는 다른 상태로 운전하는 것을 말합니다. 그림 2.14는 이에 대한 설명입니다.
첫 번째의 그림은 전기자에 전류가 흐르지 않는 경우입니다. 이 경우에는 전기자 반작용으로 발생되는 자계가 존재하지 않습니다. 두 번째 그림은 전기자 도체에 전류가 흐름으로써 자계가 발생하는 것을 보여줍니다. 일반적으로 권선은 여러 번 감게 되므로 세 번째 그림은 여러 번 감은 권선의 경우에 원래의 중성 축은 A-A 의 점선으로 형성되나 총 10개의 도체에 흐르는 전기자 전류는 자계를 발생하여 주자계에 영향을 미치고 결과적으로 B-B 의 점선을 중성 축으로 가진 것처럼 주 자계를 변형하게 합니다.
 그림 2.14 전기자 반작용의 발생 경위 |
이러한 상황에서 문제점은 A-A 축과 B-B 축 사이에 존재하는 도체에 흐르는 전류입니다. 이 각도에 위치하게 되는 도체들은 전동기에는 회전력을 감소하려는 방향으로, 발전기에는 발전 전압을 감소시키는 작용을 합니다. 운전 중에 전기자에 발생하는 전류에 의해 주 자계가 모양이 변형되어 중성 축이 이동하게 되고 원래의 설계된 중성 축과 운전 중 새로이 설정된 중성 축 사이의 도체들이 원래의 설계와는 반대 작용을 하게 되어 기계의 효율을 낮춥니다. 전기자 반작용은 흐르는 전류의 양에 비례합니다. 부하 전류의 변화는 전기자 도체에 흐르는 전류의 변화를 의미하므로 이에 따라 발생하는 자계의 세기도 변화합니다. 부하의 정도에 따라 다른 크기의 외형이 발생하며 중성 축의 크기 변화도 다르게 됩니다.
제대로 설계된 계자는 N 극 S 극에 걸쳐 동일한 크기로 분포합니다. 즉 N 극에서의 자계의 방향을 양으로 잡는다면 동일한 크기의 자계가 설정되어 있다고 볼 수 있으며, S 극 에서는 그와 반대 방향인 음의 크기의 자계가 동일한 크기로 분포됩니다. 원으로 되어있는 모양을 따라서 펼쳐 보인 자계의 분포 크기를 직선 평면상에서 그림 2.15의 첫 번째 그림처럼 표시할 수 있습니다. 계자에 흐르는 전류는 그림에서의 상단부와 하단부에서 가장 큰 자계를 발생하며 왼쪽 끝과 오른쪽 끝 부분으로 갈수록 약해집니다. 역시 회전자의 모양을 따라 원으로 존재하는 자계의 크기를 직선으로 펼쳐 해석한 자계의 분포를 직선의 모양으로 그릴 수 있으며, 다만 양쪽으로 분산하는 자계의 성질로 위쪽 끝과 아래 쪽 끝의 한가운데서는 미세한 자계의 감소 현상이 발생합니다. 두 번째 그림은 이러한 현상에 의해 발생하는 전기자 전류에 의한 자계의 모양입니다.
운전 중에 얻어지는 자계의 모양은 계자의 자계와 전기자 반작용에 의해 발생하는 자계의 산술적인 합이 됩니다. 세 번째 모양은 첫 번째의 자계의 모양과 두 번째의 자계의 모양을 산술적으로 합한 결과임을 알 수 있습니다.
| 그림 2.16 전기자 반작용의 효과 http://goo.gl/36Ipjw |
앞에서 설명한 바와 같이 전기자 반작용은 전동기 혹은 발전기에서 효율을 저하합니다. 이러한 현상을 없애기 위해서는 부하전류의 변동에 따라 발생하는 자속을 상쇄시킬 수 있는 방법이 필요합니다. 첫 번째의 방법은 중성축을 이동하는 방법입니다. 정격상태의 부하전류에서 주로 운전을 하는 경우라면 이 상태의 중성축에서 동작하도록 기기를 설계합니다. 그러나 부하의 양의 변화에 따라 전기자 반작용의 효과가 다르므로 동일한 중성축에서 동작을 한다는 보장이 없습니다. 더욱 적극적인 방법으로는 계자와 같이 또 다른 계자의 극을 설치하여 이를 상쇄하는 방법이 있고 권선에서 발생하는 자계를 직접적으로 상쇄하는 방식이 있습니다. 이를 각각 보극과 보상권선이라고 합니다.
그림 2.16은 전기자 반작용의 발생을 설명하는 프로그램입니다. 회전자 주위를 펼쳐놓은 것으로 생각하면 쉽게 이해할 수 있습니다. 슬라이드더를 이동하면 주자계와 반작용에 의한 자계를 더하는 작업을 진행합니다. 합성된 자계의 모양이 많이 왜곡된 사실을 확인할 수 있습니다. 합성된 자계는 정확하게 원점을 관통하지 않고 오른쪽으로 원점이 이동한 것처럼 보입니다. 이것을 회전자의 원형 공간에서 나타낸 것이 오른쪽 위쪽의 그림입니다. 주자계와 전기자 반작용 자계는 각각 좌우, 상하 대칭이지만 합성된 자계는 약간 회전되어 있는 모양으로 나타납니다. 두 자계의 합성 효과로 전체 자계의 분포 모양이 많이 뒤틀려 있고, 합성자계의 중성축이 이동하는 현상을 확인할 수 있습니다.
