2.9 직류기의 기동특성

기동특성은 발전기와 전동기에서 각각 다른 양상으로 나타납니다. 발전기의 경우에 기동을 하는 것은 타여자 방식에서는 문제될 것이 없습니다. 계자는 다른 전원에서 공급되므로 원동기만 돌려주면 전압이 유기 되기 시작합니다. 문제는 자여자 발전기에 있습니다. 자여자 발전기는 외부 전원을 취하지 않는데 어떻게 전압을 유기할 수 있을까요?

전동기의 기동시에도 문제점이 있습니다. 앞서 간단하게 언급한 바와 같이 기동시에는 역기전력이 없으므로 단자전압이 모두 전기자 저항에 인가되어 큰 기동전류값이 흐르게 됩니다. 이러한 문제를 어떻게 해결할까요? 발전기와 전동기 각각에 대하여 알아보겠습니다.

직류기 기동특성

2.9.1 직류 발전기의 기동

그림 2.26 직류발전기의 자기 여자 특성

자여자 직류 발전기는 계자의 전원을 전기자의 전원과 같이 사용합니다. 운전을 하는 중이라면 문제가 없지만 기동할 때는 그렇지 않습니다. 계자에 전원이 없으니 원동기로 회전을 해도 유기전압을 발생할 수 없습니다.

실제로는 자여자 발전기도 아무런 문제없이 기동이 가능합니다. 운전을 하였던 코일에는 약간의 자성이 남아있습니다. 이를 잔류자기라고 하는데 이것을 이용하여 전압을 유기하는 것이 가능합니다. 그림 2.17 은 잔류자기를 이용하여 직류 발전기를 기동하는 원리를 설명합니다.

그림 2.26 은 전압과 전류의 관계를 보여줍니다. 먼저 코일에는 잔류 자기가 있습니다. 이러한 상태에서 일정한 속도로 원동기가 돌면 발전기 전기자에 미세한 전압이 유기됩니다. 유기된 전압은 계자의 저항에 따라서 계자 전류값을 발생합니다.(1-1′) 계자 전류의 변화로 인하여 다시 전기자 양단에는 원래보다 높은 전압이 유기됩니다.(1′-2) 이러한 작용을 반복하여 전압은 자체적으로 증가하여 A 와 B 가 만나는 점에서 안정되어 동작점을 형성합니다.

그림 2.27은 직류기의 자기 여자 특성 프로그램을 설명하는 프로그램입니다. “Initialize" 버튼을 누르면 발생하는 전류와 자계를 순서적으로 애니메이션하면서 보여줍니다. 중간에 ”Pause", "Start" 버튼을 눌러서 필요한 위치에서 애니메이션을 정지하거나 계속 시킬 수 있습니다. 저항의 값을 조절하여 전류의 특성 곡선 값을 변경할 수 있습니다.

그림 2.27 직류발전기의 자기여자 프로그램 http://goo.gl/idH4uo

2.9.2 직류 전동기의 기동

직류기의 기동시에는 역기전력이 없어서 과도한 전류가 흐릅니다. 즉, $V=E+I_{a}R_{a}\,$ 에서 기동시에는 전기자가 회전하지 않고 있으므로 역기전력은 0 이 됩니다. 발생하는 전류의 값은 $I_{a}={\frac {V}{R_{a}}}$ 의 값이 됩니다. 권선의 전기자 저항값은 일반적으로 작은 값입니다. 그러므로 기동시에는 높은 전류가 흘러 권선이 소손되는 경우가 발생합니다. 이를 해결하는 방법은 무엇일까요?

기동시에는 높은 저항으로 기동하고 운전 시에는 이를 제거하는 방법을 생각할 수 있습니다. 이것을 하드웨어적으로 설치하는 방법이 문제가 됩니다. 여러 가지 전기적 기계적인 방법을 사용하여 이를 실현할 수 있습니다. 전자석의 원리를 이용하여 기동후에 전자석의 인력에 의하여 스위치가 움직이면서 자동적으로 전기자에 연결된 저항의 값을 기동시 큰 값으로부터 정상운전시의 작은 값으로 바꾸어 가는 방법, 타이머 등을 사용하여 시간적인 차이를 두고 역시 저항값을 큰 값에서 작은 값으로 바꾸어 가는 방법 등이 있습니다. 무슨 방법이든 간에 시간상으로 저항의 값을 변화하여서 전기자 전류의 크기를 제한하는 것이 직류 전동기의 기동방법입니다.

$I_{s}={\frac {V}{R_{a}+R_{s}}}$

$I_{s}\,$ : 기동전류

$R_{s}\,$ : 기동저항

$R_{a}\,$ : 전기자 저항