분권전동기

이번에는 직류 분권전동기에 대하여 알아 봅시다.

분권전동기는 직권전동기와 다르게 계자권선 저항과 회전자 권선저항이

'병렬'로 연결되어 있습니다.

직권전동기에서 알아 본 바와 같이 직렬로 연결되어 있으면 권선에 흐르는 전류가 일정하며

병렬로 연결되어 있으면 권선에 걸리는 전압이 일정하고 전류가 분배된다.

이러한 원리를 이용하여 분권전동기의 원리에 대해 좀 더 자세히 알아보자.  

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1. 분권전동기

분권 전동기의 등가회로도는 위와 같습니다.

입력단자에 전압이 걸리면 회전자와 계자에 각각 병렬로 동시에 전원이 공급됩니다.

위 그림에서 보는 바와 같이 분권전동기는 회전자 권선저항과 계자권선저항이 병렬로

연결되어 있으므로 전압은 회전자 권선과 계자권선에 똑같이 걸리게 되며

전류는 회전자 권선저항과 계자 권선 저항의 크기에 따라 분배되게 된다.

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◎ 부하시 (부하가 연결되었을 때)

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입력단자 V에 전압이 인가되었을 때,

입력전류 I 는 회전자 전류와 계자전류로 나뉩니다.

이로 부터 역기전력 E와 계자전류 If 를 다음과 같이 구할 수 있습니다.

역기전력은 입력전압 중에서 전선에 의한 전압강하 부분을 제외한 순수하게

전동기 회전에 기여한 전압을 의미하므로 역기전력 E는 입력전압 - 회전자 권선에

의한 전압강하를 뺀 값이 된다. 직권 전동기와 달리 계자저항은 역기전력의 전압결정에

영향을 미치지 않는다.

계자전류는 오로지 계자저항 Rf 에 의해 결정됩니다.

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2. 속도

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분권전동기가 회전함으로써 발생하는 역기전력 E는 다음과 같이 발생합니다.

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E = k Φ N

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이때 속도 N에 대해서 정리하고,

역기전력 E는 위에서 구한 식 ( E = V - Ia · Ra )을 대입합니다.

따라서

속도식은 위와같이 구할 수 있습니다.

속도식으로 부터 자속 φ 가 관여되어 있음을 알 수 있습니다.

속도는 자속에 반비례하고 전압에 비례합니다. 그런데 자속에 반비례한다고

말할 때는 전압이 일정하다는 전제가 있습니다. 자속을 높이게 되면

기전력 즉 전압이 높아지므로 속도도 높아집니다. 하지만 일정한 기전력(전압)을

유지하는 상태에서 자속을 높여 주면 회전력은 상대적으로 낮아 진다는 것입니다.

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이것으로 자속에 의해 전동기의 속도제어가 가능함을 알 수 있습니다.

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회전자저항Ra​ 증가 ⇒ 회전자전류Ia​ 감소 ⇒ 자속Φ 감소 ⇒ 속도증가 ​

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위의 순서로 Ra의 변동에 의해 속도의 증가 및 감소로 제어가 가능합니다.

* 회전자 저항 Ra 에 따라 속도제어가 가능합니다.

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3. 기동시 계자저항 제어

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전동기는 처음에 기동할 때 큰 토크를 필요로 하여 매우 큰 전류가 발생합니다.

따라서 전동기가 작은 전류로도 큰 토크를 가질 수 있도록

여러가지 방법을 사용해야 합니다.

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분권전동기의 경우 계자 저항 Ra로 기동시 속도를 줄이고 토크를 높여서

보다 적은 전류로 토크를 얻어 기동할 수 있도록 합니다.

가변저항 FR을 넣어 제어를 할 때

⊙ 분권 전동기 기동시 : FR을 최소 (속도를 낮추고 토크를 키움)

⊙ 분권 발전기 기동시 : FR을 최대 (전류 If 감소, 자속감소로 기전력 E를 낮추고

    필요토크를 낮춤)

​※ 분권전동기의 계자전류 If는 계자 전류에 의해서 결정되고 전동기의 회전속도는

   자속에 반비례하므로 전동기의 속도를 계자의 자속을 변화시켜 제어할 수가 있다.

   즉 계자에 가변저항을 달게 되면 이 저항을 통하여 계자전류를 조절할 수가 있고

   계자전류를 조절하게 되면 계자의 자속을 조절할 수 있어 가변저항을 이용하여

   분권전동기의 속도를 조절할 수가 있다.

 

4. 계자권선 단선 금지

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직권전동기는 계자가 발생하는 자속에 의해 회전하지만

분권발전기는 자속이 작을 수록 속도가 증가하게 됩니다.

위 식에서 자속 φ 가 분모로 들어가 있음을 알수 있습니다.

그렇기 때문에 If가 0이 되면 자속 φ 의 감소로 N이 매우 커지게 되어

위험속도에 도달할 수 있습니다.(과속도)

(직권전동기들은 자속에 의해 토크를 얻어 회전하지만,

이 자속에 구속되어 속도가 어느정도 유지되는 양상을 보입니다)

* 분권전동기는 If가 0이 되는 경우 속도가 매우 커지기 때문에

계자권선이 단선이 되면 위험합니다.

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5. 정속도 전동기

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분권전동기의 특징으로는

부하변동에 의한 속도변화가 거의 없어 정속도 전동기의 특징을 가집니다.

속도가 증가하거나 감소하면 역기전력 E의 증감으로 인해서

전동기의 속도를 유지하게 되어 속도와 토크가 지속적으로 유지되려고 한다고

보시면 됩니다.

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⊙ 토크의 관계식

토크는 속도와 반비례, 회전자 전류와 비례합니다.