직류전동기 속도제어법

왜 배우는가: 직류전동기는 속도를 넓은 범위에서 연속적으로 바꿀 수 있어 압연기·엘리베이터·크레인 등 정밀 속도제어가 필요한 설비의 기본 구동원이다. 속도제어법은 원리 문제와 비교 논술 문제로 반복 출제되므로 방식별 원리와 특성을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제134회 2교시 5번, 제128회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

직류전동기 속도제어법은 직류전동기의 속도 N이 전기자 전압과 자속에 의해 정해지는 원리를 이용해, 전압 또는 계자 자속을 조정하여 회전속도를 바꾸는 방법이다.

직류전동기 속도는 전기자 전압에 비례하고 자속에 반비례하므로, 전압 제어와 계자 제어로 속도를 바꾼다

• 핵심 키워드: 전기자 전압 제어, 계자 제어(界磁制御), 직렬저항 제어, 워드 레오나드 방식, 전기자 초퍼 제어, 역기전력, 자속, 속도 특성

속도 식은 다음과 같다.

$N = \frac{V - I_a R_a}{K\phi}$

여기서 N은 회전속도(rpm), V는 단자전압(V), I_a는 전기자전류(A), R_a는 전기자저항(Ω), \phi는 자속(Wb), K는 기기 상수다. 이 식에서 속도를 바꾸는 변수는 V, R_a, \phi 세 가지뿐이다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 직류전동기의 속도를 바꾸는 방법은 세 가지다. 전기자에 공급하는 전압을 바꾸거나, 전기자 회로에 저항을 넣거나, 계자 자속을 바꾸는 것이다. 이 세 가지가 속도제어법의 뼈대가 된다.

직류전동기는 자계와 전기자 전류의 작용으로 토크를 내고, 회전하면 전기자에 역기전력 E = K\phi N이 생긴다. 전기자 회로의 전압 평형식 V = E + I_a R_a에서 속도를 구하면 위 식이 된다. 즉 속도는 공급 전압에서 저항 강하를 뺀 값에 비례하고, 자속에 반비례한다.

전기자 전압 제어는 전기자 단자전압 V를 가변하는 방법이다. 자속을 일정하게 유지해야 하므로 계자는 별도 전원으로 일정하게 여자한다. 속도가 V에 거의 비례하므로 저속부터 정격속도까지 넓은 범위를 얻을 수 있다. 정격 이하 속도에서 토크가 일정한 영역을 쓴다.

계자 제어는 계자전류를 조정해 자속 \phi를 바꾸는 방법이다. 계자 회로의 가변저항을 늘리면 계자전류가 줄고 자속이 약해져 속도가 올라간다. 계자 제어는 정격 이상 고속 영역에 쓰인다. 계자 전류가 작아지면 전기자 반작용과 정류 불량이 생기므로 속도 상승에 한계가 있다.

직렬저항 제어는 전기자 회로에 직렬로 저항을 넣어 I_a R_a 강하를 키우는 방법이다. 구조가 간단하지만 저항에서 열손실이 크고, 속도 조정 범위가 좁으며 속도 변동률이 커진다.

워드 레오나드 방식은 교류 전동기로 직류 발전기를 구동하고, 그 발전기 출력을 제어 대상 직류전동기 전기자에 연결하는 방식이다. 발전기의 계자를 조정해 전압을 바꾼다. 정지 상태부터 전 속도 범위에서 원활한 제어가 가능하다. 기기가 세 대 이상 필요하고 효율이 낮아 사이리스터 방식으로 대체됐다.

3. 등장 배경과 필요성

직류전동기는 토크 특성이 좋아 기동 토크가 크고 속도 제어가 쉬운 장점 때문에 오랫동안 산업 구동 전동기의 중심이었다. 그러나 교류 전원에서 직류 전압을 얻으려면 변환 장치가 필요했다. 초기에는 워드 레오나드 세트가 이 문제를 해결했다. 발전기와 전동기를 조합해 교류 전원에서도 연속적인 속도 제어를 얻는 방식이다.

이후 사이리스터와 같은 전력용 반도체가 나오면서 제어 방식이 바뀌었다. 정류 회로로 가변 직류 전압을 만들어 전기자에 공급하는 방식이 워드 레오나드 세트를 대체했다. 이 전환으로 기기 수가 줄고 효율과 보수성이 좋아졌다. 철도차량 분야에서는 전기자 초퍼 제어와 계자 초퍼 제어가 등장해 저항제어를 대신했다.

직류전동기의 속도제어는 설비의 생산성과 에너지 효율에 직결된다. 과거에는 저항 손실이 큰 방식이 많았지만 반도체 제어로 손실이 줄었다. 그래서 현재 시험에서는 각 방식이 언제, 왜 채택됐는지를 묻는 경우가 많다.

4. 구성요소·원리·절차

직류전동기의 속도는 전기자 전압, 전기자 저항, 자속(계자 전류)으로 결정된다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$N = \frac{V_a - I_a R_a}{K\phi}$

여기서 N은 회전속도(rpm), V_a는 전기자 단자전압(V), I_a는 전기자 전류(A), R_a는 전기자 회로 저항(Ω), \phi는 극당 자속(Wb), K는 기계 상수다. 속도제어는 이 식의 세 항 가운데 하나를 바꾸는 것이다. 전기자 전압을 바꾸면 전압제어, 전기자 직렬 저항을 바꾸면 저항제어, 자속을 바꾸면 계자제어가 된다.

분권전동기는 계자권선이 전기자와 병렬로 같은 전원에 연결된다. 계자 자속이 거의 일정하므로 부하에 따른 속도 변화가 작다. 무부하에서 전부하까지의 속도 변동률은 보통 5% 이하다. 이 특성 때문에 분권전동기는 정속도 특성을 가진다.

구성요소는 다음과 같다.

계자제어는 계자 회로에 가변저항을 넣어 계자 전류를 줄이는 방법이다. 자속이 감소하면 속도가 증가한다. 기준속도 이상으로 올릴 때 쓰는 약계자 제어가 된다. 자속을 너무 줄이면 정류가 불량해지고 역기전력이 낮아져 전동기가 과속하므로 속도 상한이 제한된다. 이 방법은 제어 전력이 작고 효율이 높다.

저항제어는 전기자 회로에 직렬 저항을 넣는다. 저항에서 전압 강하가 생겨 전기자 실효 전압이 낮아진다. 속도는 낮아지지만 저항 손실이 커 효율이 나쁘다. 기동 시 전류를 제한하는 기동저항기로도 쓰인다.

전압제어는 전기자 단자전압을 연속 가변하는 방법이다. 와드 레오나드(Ward Leonard) 방식은 교류 전동기로 직류 발전기를 돌리고, 그 발전기 출력 전압을 전동기 전기자에 공급한다. 기동 토크가 크고 0속도부터 정격속도까지 넓게 제어된다. 대신 기계가 3대 이상 필요하다. 현재는 사이리스터 정류기 또는 초퍼로 대체되었다.

속도제어 절차는 다음과 같다.

• 요구 속도 범위와 부하 특성(정토크·정출력·변토크)을 정한다.
• 속도 상승이 필요하면 계자제어, 하강이 필요하면 전압제어를 기본으로 택한다.
• 전압제어는 전원 방식(교류 정류기, 초퍼)과 회생제동 필요 여부를 정한다.
• 기동 시 전류를 기동저항 또는 전압 연속 증가로 제한한다.
• 속도 검출(엔코더·타코 발전기)로 폐루프를 구성하고 목표 속도를 추종시킨다.

계자제어는 정출력(약계자) 영역, 전압제어는 정토크 영역의 속도를 담당한다.

계자제어 기준속도 이상 확대 영역에서도 자속을 과도하게 줄이면 정류 불량이 생긴다.

5. 관련 법령·기준·표준

직류전동기 속도제어는 법령이 직접 정하는 내용이 아니라 전기기기 설계 기준과 산업 표준에 따른다. 한국에서는 전동기 효율과 제어장치 안전이 주로 다뤄진다. 국제적으로는 IEC 60034 계열의 회전기 시험·정격 기준과 IEC 61800 계열의 가변속 전력구동시스템 기준이 널리 쓰인다.

속도제어 방식별 기준 특성은 다음 표와 같다.

계자 초퍼 제어는 분권계자 전류만 제어하므로 반도체 용량이 작다. 회생제동을 쓸 수 있어 소비 전력을 줄인다. 전기자 초퍼 제어는 전기자 큰 전류를 직접 제어하여 반도체 용량이 크다.

전기자 전압 제어 정토크 영역 는 전압을 낮추면 토크 특성이 유지된다는 뜻이다.

속도 변동률은 다음과 같이 정의한다.

$\varepsilon = \frac{N_0 - N_n}{N_n} \times 100\%$

N_0는 무부하 속도, N_n은 정격부하 속도다. 분권전동기의 속도 변동률은 일반적으로 5% 이하가 되도록 설계한다.