전기기기 1강. 직류기
발전기와 전동기는 다른 기계가 아닙니다. 같은 기계를 어느 쪽으로 돌리느냐의 차이입니다.
풀고 시작
같은 기계, 반대 방향
직류기는 발전기로도 전동기로도 씁니다. 자계 안에서 도체가 움직이면 기전력이 생기고(발전기), 자계 안의 도체에 전류를 흘리면 힘이 생깁니다(전동기). 같은 구조에서 무엇을 넣고 무엇을 빼느냐만 다릅니다.
구조는 크게 셋입니다. 계자가 자속을 만들고, 전기자가 그 자속을 끊으며 돌고, 정류자와 브러시가 회전하는 전기자와 정지한 외부를 잇습니다.
여기서 정류자가 핵심입니다. 코일이 회전하면 자속을 끊는 방향이 반 바퀴마다 뒤집히므로 유도되는 기전력은 언제나 교류입니다. 정류자는 반 바퀴마다 접속을 함께 뒤집어, 외부에서 보면 한 방향으로만 흐르게 만듭니다. 직류를 만드는 것이 아니라 교류를 직류처럼 보이게 정리하는 장치죠.
전동기로 쓸 때는 반대입니다. 외부에서 직류를 넣으면 정류자가 그것을 코일 안에서 교류로 바꿔 회전이 이어지게 합니다.
전기자가 만드는 방해
전기자에 전류가 흐르면 그 전류도 자계를 만듭니다. 이 자계가 계자의 자속을 일그러뜨리는 것이 전기자 반작용입니다.
결과가 셋입니다. 주자속이 줄어 발전기는 전압이, 전동기는 토크가 떨어집니다. 자속의 중심축이 이동해 정류가 나빠집니다. 그리고 국부적으로 자속 밀도가 높아져 브러시에서 불꽃이 생깁니다.
대책도 셋입니다. 보극을 정류 구간에 달아 그 자리의 자속을 상쇄하고, 보상권선을 계자 표면에 묻어 전기자 자속을 직접 맞상쇄하며, 브러시를 중성축 이동 방향으로 옮깁니다. 보상권선이 가장 확실하지만 비쌉니다.
브러시와 정류자는 직류기의 아킬레스건입니다. 접촉해 미끄러지므로 마모되고 불꽃이 튀며 주기적 보수가 필요합니다. 직류 전동기가 좋은 특성에도 불구하고 자리를 내준 이유이고, 그 자리를 채운 것이 5강에서 볼 인버터로 제어하는 교류 전동기입니다.
계자를 어떻게 잇느냐가 성격을 정합니다
계자 권선을 전기자와 어떻게 연결하느냐에 따라 기계의 성격이 완전히 달라집니다.
| 종류 | 연결 | 성격 |
|---|---|---|
| 타여자 | 계자에 별도 전원 | 속도 제어가 정밀합니다 |
| 분권 | 계자와 전기자를 병렬 | 부하가 변해도 속도가 거의 일정합니다 |
| 직권 | 계자와 전기자를 직렬 | 기동 토크가 매우 크고 속도 변동이 큽니다 |
| 복권 | 분권과 직권을 함께 | 양쪽의 중간 성격입니다 |
직권 전동기가 특히 중요합니다. 부하 전류가 곧 계자 전류이므로 부하가 무거우면 자속도 함께 커져 토크가 전류의 제곱에 비례합니다. 그래서 기동 토크가 압도적이고, 전동차와 기중기와 자동차 시동 모터에 쓰였습니다.
그런데 위험이 하나 있습니다. 직권 전동기를 무부하로 돌리면 안 됩니다. 부하가 없으면 전류가 작아지고, 자속이 작아지면 속도가 치솟습니다. 속도가 오르면 전류가 더 줄고 다시 속도가 오르는 되먹임이 걸려 회전자가 원심력으로 부서집니다. 이것을 무구속 속도라 하고, 그래서 직권 전동기는 벨트가 아니라 기어로 직결합니다. 벨트가 끊어지면 곧바로 무부하가 되기 때문입니다.