2.8 직류 전동기의 속도제어

직류기 속도제어

직류전동기는 속도조절이 용이한 기계로 알려져 있습니다. 정밀 속도 제어에 관련해서는 항상 직류기를 사용하여 왔습니다. 유도기와 여러 가지 특수기의 출현으로 이러한 독점적인 속도제어의 장점은 많이 퇴색하였지만 특성적으로 직류기는 속도 조절이 용이합니다. 속도에 관한 식은 앞에서 이론적으로 다룬 바가 있습니다. 직류기의 속도 제어는 타여자 혹은 분권을 사용합니다.

그림 2.24 전동기 속도제어

$N={\frac {V-I_{a}R_{a}}{K\phi }}$ (2.12)

식 (2.12) 는 식(2.5) $E=K\phi N\,$ 과 식 (2.7) $E=V-I_{a}R_{a}\,$ 을 결합하여 얻은 것입니다.

식으로부터 속도를 조절하기 위한 세 가지 요소를 얻을 수 있습니다. 인가 전압, 저항, 자속 입니다. 각각의 요소별로 속도제어특성을 살펴보도록 합시다.

(1) 저항에 의한 속도제어

전기자 저항의 값을 조절하는 방법입니다. 직권전동기의 경우 직병렬 제어법과 병용하여 많이 사용하는 방법입니다. 하지만 이 방법은 근본적으로 문제점이 있습니다. 저항의 값을 속도조절의 목적으로 증가시킬 경우 저항에 흐르는 전류가 증가하게 되어 동손이 커집니다. 이는 열손실을 증가시키게 되어 효율이 떨어집니다. 그림 2.17 (a) 는 저항을 조절하는 경우의 속도제어 결과입니다. 수하특성을 이용하여 조절함을 유의하여 보십시오.

(2) 계자에 의한 속도제어

계자에 형성된 자속의 값을 제어하는 방법입니다. 자속의 값은 타여자의 경우 타여자 전원의 값을 조절하여 자속의 수를 증감할 수 있습니다. 자여자 분권의 경우는 계자에 설치된 저항의 값을 변화하여 흐르는 계자 전류의 값을 조절할 수 있습니다. 계자 저항의 값이 커지면 계자 전류의 값이 감소하고 자속의 수는 감소합니다. 반대로 계자 저항의 값이 작아지면 계자 전류의 값이 증가하고 자속의 수는 증가합니다. 즉, 자속의 수가 증가하면 전동기의 속도가 감소하고, 자속의 수가 감소하면 전동기의 속도는 증가합니다.

계자제어를 할 경우 계자저항에 흐르는 전류가 적어 전력손실도 적고 조작이 간편하며, 세밀하고 안정된 제어가 가능하여 정출력 제어 또는 정구동 제어 라고도 합니다. 하지만 계자제어의 경우 제어의 폭이 좁다는 단점이 있습니다. 그림 2.17 의 (b)는 계자의 자속을 조절하는 경우의 속도제어 결과입니다.

(3) 전압에 의한 속도제어

전압의 값 V가 증가하면 속도는 이에 비례하여 증가합니다. 단자 전압을 증가하는 방법은 기본적으로 전원을 조작하여야 합니다. 이 방법은 제어의 범위가 넓고 손실이 거의 없어 효율이 좋으며 주 전동기의 속도와 회전방향을 쉽게 조절할 수 있습니다. 하지만 이 제어방법을 이용하기 위해서는 설비의 비용이 많이 드는 단점이 있습니다. 그림 2.17 의 (c) 는 전압을 조절하는 경우의 속도제어 결과이며 전압을 제어하는 대표적인 방법은 다음과 같습니다.

• 워드 레어너드 방식: 부하의 변동이 거의 없을 경우(정부하) 사용하는 방법입니다.

• 일그너 방식: 부하의 변동이 심할 경우 사용하며 부하의 변동에 영향을 받지 않기 위해 무거운 쇠 추(플라이 휠)를 설치하여 사용하는 방식입니다. 부하의 변동이 심한 대용량 압연기나 승강기 등에 사용합니다.

• 직 $\cdot$ 병렬 제어법: 정격이 같은 전동기를 직 $\cdot$ 병렬로 접속하여 전동기에 인가되는 전압을 단계적으로 나누어 속도를 제어하는 방법이며, 직류직권 전동기의 속도제어를 위해 사용하는 방식입니다.

• 쵸퍼 제어법: 반도체 사이리스터를 이용하여 직류 전압을 직접 제어하는 방식입니다. 전기철도의 속도제어를 할 때 많이 사용합니다.

그림 2.25 는 속도제어를 이해하기 위한 프로그램입니다. Ra는 전기자 저항을, 파는 자속을 K는 분모의 기계상수를 V는 단자 전압의 값을 의미합니다. 속도 특성 곡선과 부하의 크기를 감당하는 토크의 값이 만나는 부분에서 동작점이 생성되며 이것은 점 H로 나타납니다. 점 H의 x 좌표값이 현재의 속도를 y 좌표값이 현재의 토크를 나타냅니다. 특성의 변화를 알기 쉽게 하기 위해 속도 특성 곡선의 잔상이 화면에 남게 하였습니다. 이것을 지우려면 “Clear Trace" 버튼을 눌러서 조정이 가능합니다. 순서대로 전기자 저항, 자속의 크기, 전압의 크기를 조정해 봄으로서 (a), (b), (c)와 같은 특성으로 차례로 확인해 볼 수 있습니다.

그림 2.25 속도제어 프로그램 http://goo.gl/LPlckk

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예제 2.3)

타여자 전동기의 현재 속도가 1000[rpm] 입니다. 동일한 부하에서 계자 전류를 반으로 줄이고 단자전압과 전기자 저항을 2 배로 늘이면 속도는 얼마인가요? 단 전류와 자속의 관계는 선형이라고 가정합니다.

풀이) 직류전동기의 속도에 관한 식으로부터 다음의 식을 유도할 수 있습니다.

$1000={\frac {V-I_{a}R_{a}}{K\phi }}$

계자 전류가 반으로 감소하므로 자속의 값이 반으로 감소하고, 전기자 저항과 단자 전압의 값을 각각 2 배로 증가하여 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

${\frac {2V-2I_{a}R_{a}}{K\phi \times {\frac {1}{2}}}}=4\times {\frac {V-I_{a}R_{a}}{K\phi }}=4000[rpm]$

즉, 4000[rpm] 으로 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있습니다.

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예제 2.4)

타여자 전동기의 현재 속도가 500[rpm] 일 때 단자 전압은 100[V], 전기자 전류는 5[A], 전기자 저항은 1[$\Omega$] 입니다. 동일한 부하전류의 조건에서 저항을 두배로 하면 속도는 얼마인가요?

풀이) 현재 조건에서 자속의 값을 구할 수 있습니다.

$500={\frac {100-(5\times 1)}{K\phi }}$

$N={\frac {100-(5\times 2)}{K\phi }}=473[rpm]$

전동기는 473 [rpm] 의 속도로 회전하게됩니다.

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