직류전동기 속도제어 및 전기적 제동법

왜 배우는가: 직류전동기는 속도 제어성이 뛰어나 압연기, 엘리베이터, 크레인, 전동차 등 정밀 속도 제어가 필요한 설비에 널리 쓰인다. 속도 제어 방식과 전기적 제동법은 전기응용기술사 시험에서 용어형과 논술형으로 반복해 출제되므로 원리를 정확히 이해해야 한다.

출제 이력: 제138회 4교시 2번, 제112회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

직류전동기의 전기적 제동은 전동기를 발전기나 저항 부하로 동작시켜 회전 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 감속하는 방법이다.

전기적 제동은 회전 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 감속하는 방식이다.

핵심 키워드

• 직류전동기
• 속도 제어
• 전압 제어
• 계자 제어
• 회생제동
• 발전제동
• 역전제동(플러깅)
• 역기전력

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 직류전동기는 전기를 넣어 돌리는 기계이고, 속도를 바꾸거나 멈출 때 전기를 이용해 조절하는 방법이 속도 제어와 전기적 제동이다. 전기적 제동은 기계식 브레이크처럼 마찰로 멈추지 않고, 전동기 자체를 발전기처럼 쓰는 것이다.

직류전동기의 속도는 전기자 단자전압과 전기자 저항강하, 자속에 의해 정해진다. 이를 근사식으로 나타내면 다음과 같다.

$n \approx \frac{V_a - I_a R_a}{k\Phi}$

여기서 V_a는 전기자 단자전압(V), I_a는 전기자 전류(A), R_a는 전기자 저항(Ω), \Phi는 한 극당 자속(Wb), k는 기계 정수이다. 이 식에서 속도를 바꾸는 방법은 세 가지로 나뉜다. 전압을 바꾸는 전압 제어, 자속을 바꾸는 계자 제어, 전기자 회로 저항을 바꾸는 저항 제어이다.

전압 제어는 계자를 일정하게 두고 전기자 단자전압을 바꾼다. 전압이 높을수록 속도가 올라가며, 정류기나 초퍼로 전압을 연속적으로 조정한다. 기준속도 이하에서 쓰는 방식이다.

계자 제어는 전기자 전압을 일정하게 두고 계자전류를 줄여 자속을 약하게 한다. 자속이 줄면 같은 전압에서 속도가 올라가므로 기준속도 이상 영역에서 쓴다.

저항 제어는 전기자 회로에 직렬저항을 넣어 전압강하를 키운다. 구조가 간단하지만 저항에서 손실이 커서 효율이 낮다.

전기적 제동은 전동기를 발전기로 바꾸는 원리를 쓴다. 회전 중인 전기자가 자계를 자르면 역기전력이 생기고, 이 전력을 전원에 돌려주거나 저항에서 열로 소모하면서 회전을 늦춘다. 제동 토크는 회전 방향과 반대로 작용한다.

전기자 전압 제어는 기준속도 이하, 계자 제어는 기준속도 이상에 쓴다 는 답안에서 자주 쓰는 구분이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 직류 공급 체계에서는 직류전동기가 가변 속도 구동의 주력이었다. 전원 전압이나 계자 전류만 바꾸면 넓은 범위에서 속도를 조절할 수 있어 공장 자동화와 철도 견인에 사용되었다. 교류 전동기의 가변속 구동 기술이 발전하기 전까지 정밀 속도 제어의 기준 기계였다.

한편 운전 중인 전동차나 크레인은 감속과 정지를 자주 한다. 기계식 브레이크만 쓰면 마모와 열 발생이 크고, 제동 에너지가 모두 열로 버려진다. 이 때문에 전동기 자체로 감속하는 전기적 제동이 필요해졌다. 회생제동은 제동 에너지를 전원으로 되돌려 에너지를 아낄 수 있고, 발전제동은 전원이 없어도 제동이 가능하며, 역전제동은 빠른 정지에 쓰인다.

전기적 제동은 정지 상태를 유지하지 못한다. 회전이 완전히 멈춘 뒤에는 기계식 브레이크가 필요하다. 이 한계는 제동 방식을 설계할 때 반드시 함께 고려해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

직류전동기의 전기자(Armature)와 계자(Field)는 서로 다른 회로에 있으며, 두 회로의 전류가 만드는 토크와 역기전력의 관계로 속도와 제동 동작이 정해진다. 속도 제어와 제동은 모두 이 두 회로를 어떻게 연결하고 조절하느냐의 문제다.

전동기의 기본 관계는 다음과 같다. 전기자 회로에서 역기전력 E_a는 속도에 비례하고, 토크 T는 자속과 전기자 전류의 곱에 비례한다.

$E_a = K\Phi n \qquad T = K\Phi I_a$

여기서 E_a는 역기전력(V), K는 기기 상수, \Phi는 극당 자속(Wb), n은 회전속도(rpm), I_a는 전기자 전류(A)다. 전기자 전압 방정식 V_a = E_a + I_aR_a에서 속도는 n = (V_a - I_aR_a)/(K\Phi)로 얻어진다. 이 식이 세 가지 속도 제어의 근거다. 전압 V_a를 바꾸면 전압 제어, 자속 \Phi를 바꾸면 계자 제어, 전기자 회로의 R_a에 직렬저항을 넣으면 저항 제어가 된다.

전기적 제동은 전동기가 발전기로 동작하는 원리를 쓴다. 회전 중인 전기자가 자속을 끊으면 역기전력이 생기고, 이 전력을 외부로 보내거나 저항에서 열로 소모하면 회전 에너지가 감속에 쓰인다. 제동 방식은 전력의 행방에 따라 나뉜다.

속도 제어 방식의 절차는 다음과 같다.

• 목표 속도와 부하 토크를 정한다.
• 기준속도 이하라면 전기자 전압을 낮춰 전압 제어를 적용한다.
• 기준속도 이상으로 올려야 하면 계자전류를 줄여 계자 제어를 적용한다.
• 저속 소용량 구동에서 전압 조정이 어렵다면 전기자 직렬저항으로 저항 제어를 적용한다.
• 전동기 전류·온도·정류 상태를 확인해 한계를 넘지 않도록 한다.

전기적 제동의 절차는 다음과 같다.

• 전원 공급 조건과 에너지 회수 가능 여부를 확인한다.
• 회수 가능하고 전원이 회생전력을 받을 수 있으면 회생제동을 선택한다.
• 회수가 어렵다면 전원을 차단하고 전기자를 제동저항에 접속해 발전제동을 한다.
• 빠른 정지가 필요하면 역전제동(플러깅)을 쓰되 전류 제한저항을 넣는다.
• 속도가 0에 가까워지면 전원을 끊고 기계식 브레이크로 정지를 유지한다.

직류전동기 제어계의 구성은 아래 도식과 같다.

전기자 저항 R_a가 큰 전동기일수록 부하 변동에 따른 속도 변동이 커진다. 이 점은 저항 제어의 한계와 직접 연결된다.

5. 관련 법령·기준·표준

직류전동기의 속도 제어와 전기적 제동은 전기기기 설계 규격과 안전 기준에 따른다. 한국 산업 현장에서는 국내 전동기 규격(KS)과 산업안전보건기준에 관한 규칙이 기본이다. 전기설비 설치는 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 이 절에서 다루는 수치는 대부분 기기 설계 관행이므로, 조항 번호는 생략하고 기준 이름과 값만 정리한다.

위 표의 값은 설계 관행에서 널리 쓰이는 기준이다. 적용 전에는 제작사 사양과 현장 규격을 함께 확인한다. 제동 저항과 플러깅 전류의 배수는 설계 여유에 따라 달라지는 값이다.

속도 제어 방식과 제동 방식은 같은 기준 체계 안에서 선정된다. 전압 제어는 정토크 영역, 계자 제어는 정출력 영역에 해당한다. 이 구분은 전동기 선정 시 가장 먼저 확인해야 하는 기준이다.

속도 제어 방식의 선정 기준을 한눈에 보면 다음과 같다.

각 방식은 손실과 속도 안정성에서 차이가 난다. 저항 제어는 저항 손실이 커서 대용량에는 쓰지 않는다.

국내외 기준의 개념 차이도 답안에 필요하다. 국내에서는 KS 규격으로 전동기의 정격과 시험 방법을 정하고, 국제적으로는 IEC 규격이 같은 역할을 한다. 두 체계는 정격 표현과 시험 절차가 다소 다르므로, 답안에서는 기준 이름만 언급하고 수치는 이 절의 표를 따른다.

6. 유형과 비교

속도 제어법과 제동법은 조작 대상과 에너지 흐름이 달라 표로 나누어 비교한다. 먼저 속도 제어법을 비교한다.