직류전동기·유도전동기·영구자석동기전동기

왜 배우는가: 철도차량 견인전동기의 방식을 구분하지 못하면 방식별 기동 특성과 제어 방법을 답안에 정확히 쓸 수 없다. 이 주제는 여러 회차에서 비교 문항으로 출제되었으므로 구조와 특성을 함께 이해해야 한다.

출제 이력: 제137회 2교시 6번, 제109회 3교시 5번, 제92회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

견인전동기는 전기에너지를 회전력으로 바꾸는 장치이며, 직류·유도·영구자석동기 방식으로 나뉜다.

직류, 유도, 영구자석동기 세 방식은 모두 전기에너지를 기계적 회전으로 바꾸지만, 회전자의 구조와 필요한 전원, 속도를 조정하는 방법이 다르다. 철도차량에서는 이 차이가 기동 토크, 견인력 특성, 보수 부담, 인버터 적용 여부를 결정하므로 세 방식을 구조와 특성의 짝으로 비교하여 설명해야 한다. 답안에서는 방식의 이름과 함께 회전자 구조, 전원, 속도 제어를 짝지어 쓰면 채점 항목을 빠짐없이 채울 수 있다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 직류직권전동기: 계자 권선이 전기자와 직렬로 연결된 직류전동기이다.
• 정류자: 직류전동기에서 전기자 전류의 방향을 회전 위치에 맞춰 바꾸는 장치이다.
• 회전자계: 3상 교류가 고정자에 만드는 회전하는 자계이다.
• 농형 회전자: 도체 막대와 단락환으로 이루어진 브러시 없는 회전자이다.
• 슬립: 동기속도와 회전자 속도의 차이를 동기속도로 나눈 값이다.
• 영구자석: 회전자에 배치되어 여자 권선 없이 자속을 만드는 자석이다.
• VVVF 제어: 전압과 주파수를 함께 가변하여 속도를 제어하는 인버터 방식이다.

2. 개념 풀이

직류전동기는 직류 전원을 받아 계자 자속과 전기자 전류 사이의 전자력으로 회전력을 얻는 전동기이다. 전기자 도체는 자계 안에서 힘을 받아 회전하며, 정류자와 브러시가 전류 방향을 회전 위치에 맞춰 바꾸어 같은 방향의 토크가 계속 발생하도록 한다.

직류직권전동기는 계자 권선을 전기자와 직렬로 접속한 방식이다. 부하 전류가 계자 자속을 함께 만들기 때문에 토크는 전류가 커질수록 빠르게 증가한다. 그 결과 기동 시 토크가 크고 저속에서 큰 견인력을 얻으며, 속도는 전압이나 주회로 저항을 바꾸어 조정한다.

직류전동기의 관계는 다음 식으로 나타낸다.

$E = Kφ N, T = Kφ I_a$

여기서 E는 역기전력[V], K는 기계상수, φ는 극당 자속[Wb], N은 회전속도[rpm], T는 토크[N·m], I_a는 전기자 전류[A]이다. 자속을 일정하게 두면 토크는 전기자 전류에 비례한다.

유도전동기는 고정자가 만드는 회전자계가 회전자 도체에 유도전류를 발생시키고, 그 전류와 자계의 작용으로 토크가 생기는 교류 전동기이다. 회전자는 회전자계보다 늦게 돌아야 전류가 유도되므로 두 속도의 차이인 슬립이 반드시 있어야 한다.

슬립은 다음 식으로 나타낸다.

$s = (N_s - N) / N_s$

여기서 N_s는 동기속도[rpm], N은 회전자 속도[rpm], s는 무차원 슬립이다.

농형 회전자는 도체 막대와 단락환으로 이루어져 브러시나 슬립링이 없다. 그래서 보수가 간단하고 견고하며, 회전자에 절연부가 없어 고열에 견디므로 고속 영역의 과부하에 강하다. 다만 권선형에 비해 시동 토크가 작아 대형 기기에서는 돌입전류를 억제하는 시동 장치가 필요하다.

영구자석동기전동기는 회전자에 영구자석을 배치하여 여자 권선 없이 자속을 만드는 동기전동기이다. 회전자가 회전자계와 같은 속도로 도는 동기기이므로 슬립이 없고, 회전자 여자 손실이 없어 같은 출력에서 소형이면서 효율이 좋다. 속도 제어는 인버터에 의존하므로 구동 장치의 구성이 필수 요소가 된다.

세 방식의 핵심 차이는 회전자 구조에 있다. 직류전동기는 정류자로 전류 방향을 바꾸고, 유도전동기는 슬립으로 토크를 얻으며, 영구자석동기전동기는 자석으로 자속을 만들어 슬립 없이 동기 회전한다.

3. 등장 배경과 필요성

철도 견인에 직류전동기가 먼저 쓰인 이유는 속도 제어와 토크 특성 때문이다. 직류전동기는 전압으로 속도를 조정할 수 있고 토크와 속도의 관계가 견인에 적합한 곡선을 그린다. 직류직권전동기는 1990년대까지 견인 용도로 가장 많이 쓰인 방식이다.

국내에서도 직류 방식의 견인 구조가 오래 쓰였다. 한국철도공사 8000호대 전기기관차는 사이리스터 위상제어로 직류전동기를 구동한다. 교류 전원을 사이리스터로 정류하여 직류로 만든 뒤, 전압을 조정하여 전력을 공급하는 방식이다.

철도차량은 기동, 가속, 정속, 제동 구간을 반복하므로 견인전동기는 넓은 속도 범위에서 토크를 유지해야 한다. 이 요구가 직류 방식에서 교류 방식으로 넘어가는 기술 전환의 배경이다.

직류전동기는 브러시와 정류자가 마모되므로 보수 부담이 크다는 한계가 있다. 이 한계를 줄이기 위해 농형 회전자를 갖춘 3상 유도전동기가 도입되었다. 1990년대에 들어서면서 고속열차는 더 가볍고 보수가 적은 3상 유도전동기를 쓰기 시작하였다.