직류전동기의 속도제어법

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1 출제 포인트 — 이렇게 나옵니다

38회 시험 중에서 11번 나왔습니다

2010~2022년 기출 38회 시험 기준

출제 회차 2010년 1차 · 2010년 3차 · 2012년 1차 · 2013년 2차 · 2015년 3차 · 2017년 3차 · 2018년 1차 · 2020년 1차 · 2020년 2차 · 2021년 3차 · 2022년 2차

2 쉬운 설명

직류 전동기의 속도제어는 전동기의 회전속도를 원하는 값으로 바꾸는 일이다. 직류 전동기의 속도 $N$ 은 $N=K\frac{V-I_aR_a}{\phi}$ 로 정해진다.

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여기서 $V$ 는 단자전압, $I_a$ 는 전기자 전류, $R_a$ 는 전기자 회로의 저항, $\phi$ (파이)는 자속, $K$ 는 상수이다. 그래서 $V$ 를 바꾸는 전압 제어, 전기자 회로에 직렬로 저항을 넣어 전압강하를 키우는 저항 제어, 계자 전류로 자속을 바꾸는 계자 제어로 속도를 조절한다. 주파수 $f$ 는 이 식에 들어 있지 않다. 주파수로 속도를 바꾸는 것은 교류 전동기이고 직류 전원에는 주파수가 없다. 「전력 제어법」이라는 속도제어법은 없다.

계자 제어에서는 자속이 줄면 속도가 올라간다. 직류 직권전동기의 직권권선에 분류 저항기를 병렬로 달면 전류의 일부가 저항기 쪽으로 빠져 계자권선에 흐르는 여자전류가 줄고 자속도 줄어 속도가 오른다. 단자전압이 일정하면 역기전력 $E$ 도 거의 일정하다. $E=k\phi N$ ( $k$ 는 전동기 구조로 정해지는 상수)이므로 $N\propto\frac{1}{\phi}$ 이고, 회전수를 $\frac{1}{2}$ 로 하려면 자속은 2배가 되어야 한다.

계자 제어는 자속을 줄이면 속도는 올라가고 토크는 자속에 비례하므로 내려간다. 출력은 토크와 속도의 곱이어서 두 변화가 서로 상쇄되어 거의 일정하게 남는다. 이것이 정출력 가변속도의 원리이다. 반대로 전압을 바꾸는 제어와 저항을 넣는 제어는 속도를 바꿔도 토크가 일정하게 유지되는 정토크 쪽이다.

워드 레오나드 방식(문항에 따라 워드 레오너드·워드레오나드로도 적는다)은 전동기 옆에 전용 직류발전기를 두고 그 발전기의 계자 전류를 조절해 출력전압을 바꾸고, 이 전압을 전동기에 가해 속도를 바꾸는 전압 제어이며 속도를 넓은 범위로 바꿀 수 있다. 다만 압연기처럼 부하가 순간순간 크게 출렁이면 그 충격이 전원에 그대로 전달된다. 일그너 방식은 직류발전기를 돌리는 전동발전기(유도전동기와 직류발전기를 한 축에 묶은 장치)의 축에 무거운 바퀴인 플라이휠을 달아, 회전 관성이 부하의 출렁임을 흡수해 속도를 안정되게 유지한다.

정지형 레너드 제어는 발전기 대신 사이리스터(전류를 켜고 끄는 스위치 역할의 반도체 소자) 정류기로 직류 전압을 바꾸고, 초퍼 제어는 직류 전압을 빠르게 켜고 꺼서 평균 전압을 바꾼다. 인버터 제어도 반도체로 속도를 제어하는 방식이다. 반면 일그너 제어는 전동기·발전기·플라이휠로 이루어진 회전기 방식이어서 사이리스터를 쓰지 않는다.

3 이 개념이 나온 기출문제

해설·법령 근거까지 가입 없이 보실 수 있습니다. 최신 5개년 문항은 여기 나오지 않습니다.

4 체크리스트 + 암기팁

암기팁 직류 전동기 속도제어: 전압 · 저항 · 계자. 주파수는 교류용이다.

암기팁 부하가 출렁여도 안정 = 일그너(워드 레오나드 + 플라이휠).

함정 주의 계자 제어 = 정출력(속도 ↑, 토크 ↓), 전압 제어 = 정토크(속도만 바뀌고 토크는 그대로). 둘을 바꿔 고르지 않는다.

직류 전동기의 속도제어 방법이 아닌 것을 묻는 문항에서는 주파수 제어법(교류 전동기의 방법)과 전력 제어법이 답이다. 계자 제어법, 전압 제어법, 직렬 저항 제어법은 모두 직류 전동기의 속도제어 방법이다.
정출력 가변속도의 용도에는 계자 제어가 맞다. 전압 제어·저항 제어와 워드 레오나드 방식은 토크가 거의 일정하게 유지되는 정토크 쪽이므로 정출력 보기로는 틀린다.
직권권선에 분류 저항기를 병렬로 접속해 여자전류를 가감하는 방법은 계자 제어이다. 전기자 회로에 저항을 직렬로 넣는 것은 저항 제어, 전동기에 가하는 전체 전압을 바꾸는 것은 전압 제어, 전동기 여러 대의 연결을 직렬·병렬로 바꾸는 것은 직·병렬 제어로 서로 다르다.

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부하의 변동이 심할 때 광범위하고 안정되게 제어하는 방식은 일그너 방식이다. 계자 제어는 조절 범위가 좁고, 저항 제어는 손실이 크고 범위도 좁으며, 워드 레오나드는 전압을 넓게 조절하지만 플라이휠이 없어 부하가 출렁일 때 안정도가 떨어진다.
반도체 사이리스터로 속도 제어를 할 수 없는 방식은 일그너 제어이다. 정지형 레너드 제어, 초퍼 제어, 인버터 제어는 반도체로 속도를 제어한다.
권선형 유도전동기와 직류 분권전동기의 유사한 점은 속도 변동률이 작고 저항으로 속도를 조정할 수 있다는 것이다. 정류자는 직류 전동기에만 있으므로 「정류자가 있고」로 시작하는 보기는 공통점이 아니다.

5 예제 — 이 개념, 실제로 이렇게 나왔습니다

2010년 3차 전기기기 52번 — 부하 변동이 심할 때의 제어분권 직류전동기에서 부하의 변동이 심할 때, 광범위하고 안정되게 속도를 제어하는 가장 적당한 방식은?옳은 것 고르기해설 보기 →2017년 3차 전기기기 53번 — 속도제어 방법이 아닌 것직류 전동기의 속도제어 방법이 아닌 것은?옳지 않은 것 고르기해설 보기 →2021년 3차 전기기기 42번 — 분류 저항기 병렬 속도제어직류 직권전동기에서 분류 저항기를 직권권선에 병렬로 접속해 여자전류를 가감시켜 속도를 제어하는 방법은?옳은 것 고르기해설 보기 →

6 이론 근거 — 정의가 곧 정답입니다항목 10개 · 눌러서 펼치기눌러서 닫기

직류전동기의 속도제어법

전압·저항 제어는 토크를 일정하게 유지하는 정토크 제어이고, 계자 제어는 출력을 일정하게 유지하는 정출력 제어다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 11문항 중 2문항이 인용

워드레오나드 방식

발전기의 출력전압을 조절하여 전동기 속도를 제어하는 전압제어 방식이다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 11문항 중 1문항이 인용

정속도 전동기의 속도 조정

권선형 유도전동기는 2차 저항으로, 직류 분권전동기는 계자 저항과 전기자 저항으로 속도를 조정하며 둘 다 속도 변동률이 작다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 11문항 중 1문항이 인용

직류 분권전동기의 계자제어와 정출력 특성

계자제어는 자속을 약하게 하여 속도를 높이는 대신 토크가 줄어들어 출력이 거의 일정하게 유지되는 정출력 가변속도 제어에 적합하다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 11문항 중 1문항이 인용

직류 전동기의 속도 식

N=K\frac{V-I_aR_a}{\phi}

에서 단자전압

V

· 전기자 저항 · 자속

\phi

를 바꾸어 속도를 제어한다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 11문항 중 1문항이 인용

직류 전동기의 속도 제어 방식

정지형 레너드·초퍼는 사이리스터로 직류 전압을 바꾸고, 일그너는 회전기와 플라이휠로 전압과 전력 변동을 조절한다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 11문항 중 1문항이 인용

직류전동기의 속도 제어

속도

N=K\frac{V-I_{a}R_{a}}{\phi}

이므로 전압, 저항, 자속(계자)을 바꾸어 제어한다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 11문항 중 1문항이 인용

직류전동기의 속도와 계자자속

역기전력

E=k\phi N

에서 단자전압이 일정하면 회전수

N

은 계자자속

\phi

에 반비례한다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 11문항 중 1문항이 인용

직류전동기의 속도제어

N=K\frac{V-I_{a}R_{a}}{\phi}

에서

\phi

로 조절하면 정출력,

V

나

R_{a}

로 조절하면 정토크 특성이다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 11문항 중 1문항이 인용

직류전동기의 속도제어 방식

전압제어(워드 레오너드·일그너)는 넓은 범위의 속도 제어를 가능하게 하며, 일그너 방식은 플라이휠로 급격한 부하 변동을 흡수해 안정도를 높인다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 11문항 중 1문항이 인용

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