전동기의 역회전 및 손실, 효율

다음은 직류전동기의 역회전을 하는 방법을 소개합니다.

직류전동기

모터를 역회전하는 방법입니다.

흔히 아는 방법으로는 입력전압을 거꾸로 넣는 방법과

모터 안에서의 계자의 방향을 바꾸는 방법이 있습니다.

모터에 따라서 단자전압이 바뀌어도 역회전이 가능한 것도 있고

아닌 것도 있습니다.

  ⊙ 타여자전동기 : 단자전압의 극성이 바뀌면 역회전 가능

  ⊙ 자여자전동기 (직권,분권,복권) : 단자전압의 극성이 바뀌어도 역회전 불가

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자여자 전동기는 단자전압이 바뀌면 계자극성도 함께 바뀌기 때문입니다.

직류전동기 등가회로 

회전자 권선 전류의 방향과 자속의 방향이 동시에 바뀌므로 회전방향은

플레밍의 왼손법칙에 따라서 같은 방향으로 힘을 받게 됩니다.

따라서 전기자나 계자의 극성이 하나만 바뀌어야 역회전이 가능합니다.

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1. 손실

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다음은 직류전동기의 손실의 종류와 효율 계산방법을 설명합니다.

손실의 종류

먼저 손실의 종류를 알아 봅시다.

손실은 부하에 상관없는 무부하 손실, 부하와 상관있는 부하손실로 나뉩니다.

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⊙ 무부하손

   무부하손은 부하와 관련이 없는 손실입니다.

   크게 철손과 기계손으로 분류합니다.

   기계손은 철손에 비해 매우 작아서 무부하손을 철손으로 말하기도 합니다.

   또한 무부하손은 고정되기 때문에 고정손라고도 부릅니다.

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◎ 철손

변압기 구조

철손은 철에서 나타나는 손실로, 자기장과 관련한 손실을 말합니다.

모터에서 권선을 제외한 철로 된 부분을 뜻하는데 변압기의 코어부분에서

일어나는 손실로 보시면 됩니다.

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◎ 히스테리시스손

히스테리시스 곡선

히스테리시스손은 모터의 회전자 권선에서 자속이 변화할 때 발생하는 손실입니다.

회전자 철심에서의 자속이 히스테리시스곡선에 따라 변하면서 외부 자기장 H에

따라서 증가와 감소가 일어날 때에 에너지지의 차이가 발생합니다.

그 차이 만큼 손실이 발생하게 됩니다.

손실은 히스테리시스 곡선에서의 내부 면적에 비례합니다.

효율이 좋은 모터라면 히스테리시스곡선 면적이 매우 작은 물질을 씁니다.

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◎ 와류손

와전류

와류손은 와류전류에 의해 발생하는 손실을 말합니다.

회전자와 같은 철판에 유기되는 자기장이 시간에 따라 변화함에 따라 전류가

발생합니다. 이것을 와전류(Eddy Current)라고 합니다.

이 전류가 발생하는 자기장에 의해 주자속을 왜곡시켜 효율을 떨어 뜨립니다.

회전자 구조

와전류를 적게 하기 위한 방법으로 위와 같이

철심구조가 층층으로 쌓여 있는 듯한 구조로 만듭니다.

이를 성층구조(Lamination)이라 합니다.

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◎ 부하손

부하손은 부하의 변동에 따라 변화되는 손실로

주로 전류와 관련되어 발생되는 손실을 말합니다.

부하손은 크게 동손과 표류부하손으로 나뉘는데 표류부하손은 동손에 비해

매우 작아서 생략되기도 합니다.

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◆ 동손

동손은 구리선에 나타나는 손실로 구리선에 존재하는 저항에 의해 열로 발생되는

손실을 말합니다. 이는 전류가 구리선에 따라 흐르게 되므로 동손은 흐르는 전류와

관계가 있습니다. 즉, 부하율에 따라 동손의 크기는 변하게 됩니다.

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◆ 표류부하손

마지막으로 표류부하손은 다른 손실 외에 측정이 불가한 나머지 모든 손실을 말함

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6. 규약효율

효율

효율은 간단히 말해서 들어가는 에너지 대비 출력되는 에너지를 말합니다.

에너지는 단순히 일률에 시간을 곱하기 때문에 일률(Power)로 구하게 됩니다.

효율을 구할 때 입력과 출력을 모두 구할 수 있다면 입력 대비 출력으로 효율을

산출할 수 있지만 대부분 입려과 출력을 모두 구하기는 쉽지 않습니다.

이러한 이유로 인하여 효율을 구할 때는 구하기 쉬운 입력이나 출력값을 기준으로

규약효율을 정해 효율을 산정하게 됩다.

모터와 발전기의 경우 입력과 출력에서 '전기'적인 계산이 가능한 쪽을 기준으로

잡아 효율 계산식을 정합니다.

규약효율

모터 효율

효율을 어떻게 정의하냐에 따라서 2가지 식이 정의 됩니다.

입력을 출력과 손실의 합으로 보는가.

출력을 입력에서 손실의 차로 보는가로 2가지 식으로 나뉘게 됩니다.

각각의 관점의 차이는 전기적 일률 (P=VI)을 어디서 측정하냐를 기준으로 합니다.

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발전기의 경우 출력이 전기적인 에너지이며,

모터는 입력이 전기적 에너지입니다.

1) 식은 발전기의 규약효율이 되며

2) 식은 전동기의 규약효율이 됩니다.

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발전기는 출력되는 전력과 손실로 효율을 구하는데 

발전기에 있어서 측정하기 쉬운 값이 발전기의 출력이므로

발전기의 규약효율은 출력을 기준으로 하며

전동기는 입력되는 전력과 손실로 각각 효율을 구하는데

이는 전동기의 경우 출력을 측정하는 것보다 입력을 측정하기가

쉬우므로 규약효율을 입력을 기준으로 효율을 산정합니다.

만약에 반대로 발전기의 입력을, 전동기의 출력을 효율로 구한다면 회전수와 토크를

측정해야 하는 번거로움이 더 생길 것입니다.