직권 정류자 전동기
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1. 개요
직권 정류자 전동기는 외부 고정 계자 코일과 내부 회전 전기자가 직렬로 연결된 직류 전동기이다. 주 회로 저항 조절을 통해 속도 제어가 용이하며, 높은 시동 토크와 넓은 속도 범위 조절이 가능하여 전기 철도에 주로 사용된다. 출력 특성은 전기자 전류의 제곱에 비례하는 토크를 발생시키지만, 무부하 운전 시 과속으로 인한 파괴 위험이 있어 부하를 연결하여 사용해야 한다. 속도 제어 방식으로는 저항 제어, 전압 제어, 약계자 제어, 전기자 초퍼 제어 등이 있으며, 교류 전철 구간에서는 전압 제어를 통해 전동기를 제어한다.
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직류 전동기는 전류와 자기장의 상호 작용으로 회전력을 발생시키는 전동기로, 고정자 자석, 정류 방식, 회전자에 따라 분류되며 전기 자동차, 철도 등에서 활용되고 속도 제어가 용이하다. - 전동기 - 유도전동기
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2. 특징
직권 정류자 전동기는 전기자 전류와 계자 전류가 같아 자기 회로가 포화될 때까지(자속 밀도가 한계에 도달할 때까지) 전기자 전류의 제곱에 비례하는 토크를 발생시킨다. 회전수가 올라가면 역기전력이 발생하여 전류가 감소하고 계자도 약해지기 때문에 토크가 감소한다(토크가 회전 속도의 제곱에 반비례). 또한 전기자 전류에 반비례하는 형태로 회전수가 증가한다. 이 때문에 광범위한 회전 속도 범위를 갖는 특성(직권 특성)을 가지며, 전기 철도에서 많이 사용되었다. 그러나 무부하 운전 시에는 위험한 속도(무구속 속도)까지 회전수가 상승하여 원심력에 의해 전동기가 파괴될 수 있으므로, 항상 부하를 부착해야 한다.[2]
2. 1. 구조
직권 정류자 전동기는 외부의 고정된 계자 코일(고정자)이 내부의 회전하는 전기자(회전자)와 직렬로 연결된 직류 전동기이다. 시동 토크가 크게 확보될 수 있으며, 입력 전압을 변경하여 광범위한 회전 속도에 적응할 수 있어 전기 철도 용도에 적합하므로 오래전부터 지속적으로 사용되고 있다.
2. 2. 장점
- 시동할 때 가장 큰 토크를 내며, 회전수가 올라가면 역기전력이 발생해 전류가 감소하여 토크는 줄어들고 회전력은 늘어난다.
- 동일 정격의 직류전동기 중에서는 분권전동기나 복권전동기에 비해 시동 토크가 크다.
- 무제어 상태에서도 광범위한 속도 범위에 적응할 수 있는 넓은 특성 영역이 있어, 앞의 장점과 함께 전기 철도에 적합하다.[2]
2. 3. 단점
정류할 때 브러시와 정류자가 마모되므로 보수가 필요하다.[2] 고회전 영역에서는 원심력 때문에 정류자가 파괴될 수 있다.[2] 고부하 가속 운전 시에는 정류자 사이의 섬락(플래시 오버)과 같은 심각한 고장이 발생하기 쉽다.[2]무부하 운전 시에는 과회전으로 전동기가 파괴될 수 있어, 무부하 운전 가능성이 있는 용도로는 사용할 수 없다. 따라서 속도 초과 시 전원을 차단하는 안전 회로를 설치하는 등 주의가 필요하다.[2] 벨트를 사용하면 벨트가 끊어질 우려도 있다.[2] 부하 변동에 따라 속도가 크게 변하므로, 정해진 속도로 회전해야 하는 용도에는 적합하지 않다.[2]
3. 속도 제어 및 기동법
직권 정류자 전동기는 다양한 방법으로 속도를 제어하고 기동할 수 있다. 대표적인 방식으로는 저항 제어, 전압 제어, 약계자 제어, 전기자 초퍼 제어 등이 있으며, 교류 전철 구간에서는 별도의 전동기 제어 방식이 사용된다. 이러한 방식들은 하위 섹션에서 더 자세히 다루고 있다.
3. 1. 저항 제어
시동 시 허용 전류 내로 억제하기 위해 전동기의 발전 전압과 전원 전압의 차이를 저항기에 부담시키는 기동법을 '''저항 제어'''라고 한다.저항값의 기준은 전원 전압에서 전동기의 발전 전압을 뺀 값(=폐회로 전압)을 허용 전류로 나눈 값을 전체 저항으로 하며, 그 저항값에서 전기자 저항 등을 뺀 값이 기동 저항이 되어 가속과 함께 차츰 0이 된다. 기동 시 전동기의 축 출력은 속도 × 토크(계자 자속의 자기 포화에 의해 거의 전류 비례)에 비례한다.
저항기에 부담되는 분은 모두 열 손실이 된다.
저항 제어에서의 저항 손실을 줄이기 위해, 여러 대의 전동기를 직렬로 연결하여 기동하고, 기동 저항이 0이 되면 병렬로 연결하여 저항 기동을 전압까지 계속하는 방식을 '''직병렬 제어'''라고 한다.
직렬 - 병렬 전환 시 저항기와 전동기가 브리지 회로를 구성하여 차단 전류를 0으로 만드는 전환 방식을 '''브리지 넘기'''(교락 넘기)라고 한다. 처음에는 전환 시의 충격을 완화하기 위해 전동차에서 많이 사용되었지만, 곧 기관차에서도 회로 전환 시 주 전동기의 부담을 줄일 목적으로[3][4] 탑재하는 것이 일반적이 되었다.
3. 2. 전압 제어
전동기의 단자 전압을 변화시켜 속도 제어를 수행하는 기동법이다. 인가 전압을 자유롭게 조절할 수 있는 교류 전철 및 기관차에서 사용된다.3. 3. 약계자 제어
직렬 저항이 0이 된 이후의 가속을 위해, 계자 자속(여자 전류)을 줄여 전기자의 회전수를 높이는 제어를 "약계자 제어" 또는 "약자속 제어"라고 부른다. 전동기의 발전 전압은 계자에 의한 자속과 회전수에 비례하므로, 전압·전류가 일정한 상태에서 회전수를 높이기 위해서는 자속을 속도에 반비례하여 줄이면 된다. 직권 전동기의 저항 제어에서는, 직권 계자 권선에 흐르는 전기자 권선 전류를 저항에 분류시켜 자속을 작게 하여 고속 회전을 얻는다. 또한 계자 분로 저항 대신 외부 전원을 중첩하여 여자 전류를 제어하는 방법이 있으며, 교류 전원을 얻어 스위칭 소자(일반적으로 자기 증폭기가 사용되었다)에 의해 계자 위상 제어를 하는 방식이 전쟁 전에 확립되었다. 이것을 반도체 쵸퍼 회로로 한 것이 계자 첨가 여자 제어이다.약계자 제어 영역은 전류를 한계값으로 일정하게 제어하므로 "정출력=정출력 영역", "토크가 속도에 반비례하는 영역"이다. 특성도를 보면, 약계자 제어의 최소 자속은 기동 시의 67% 전후가 많지만, 철도에서의 "약계자율"은 여자 전류비로 정의되어 50% - 33% 정도로 되어 있다. 이 값의 차이는 계자의 자기 포화로 인해 전류를 늘려도 자속이 증가하지 않기 때문이다. 또한 전기자 반작용에 의한 정류 악화 문제가 있기 때문에 약계자에는 한계가 있다.[2]
인가 전압을 자유롭게 선택할 수 있는 교류 전용 전차의 경우에는 약계자 제어를 사용하지 않고, 공급 전압만으로 제어한다. 결국 "약계자 제어"는 직류 일정 전압 급전으로 고속 회전을 얻는 기술이다.
3. 4. 전기자 초퍼 제어
전기자 초퍼 제어는 대전력 반도체(주로 사이리스터)로 초퍼 회로를 구성하여 전동기의 회전수에 맞는 전압을 공급하여 기동하는 방식이다. 초퍼로 단전되는 순간은 통전 시 코일(평활 리액터)에 축적된 에너지를 전동기에 공급하므로 기동 저항 손실이 발생하지 않는다.그러나 저항 손실은 저속 영역에서만 발생하며, 전원이 공급하는 주행 에너지는 속도의 제곱에 비례하므로 전체 주행 전력 소비에 대한 저항 손실의 비율은 의외로 작고, 고속 영역에서의 회생 제동을 추구하는 것이 저렴하고 장점이 크다[5]는 판단이 있었다. 이에 일본의 사철에서는 복권 전동기를 사용하여 기동은 저항 제어, 고속 영역에서의 제동으로 분권 권선 전류를 제어하여 회생 제동하는 계자 초퍼 제어가 주류가 되었다. 한국철도공사(당시 국철)에서도 201계 전동차를 개발할 때, 고가의 전기자 초퍼 장치 도입이 어려웠고, 저항 제어를 적용하기에는 기술적 한계가 있었다. 결국 직권 전동기의 계자 전류를 역전하여 회생 제동을 실현할 수 있는 계자 첨가 여자 제어로 전환했다.
지하철에서는 연속 제어를 통해 가력 시 슬립을 방지하면서 터널 내 온도 상승을 피하기 위해 전기자 초퍼 제어가 채용되는 예가 적지 않다. 도쿄 메트로(당시 제도고속도교통영단)와 오사카 메트로(당시 오사카시 교통국)은 각각 6000계 전동차, 오사카시 교통국 10계 전동차를 개발했으며, 도쿄 메트로는 그 후에도 05계 5차차까지 전기자 초퍼 제어 차량을 제작했다.
3. 5. 교류 전철 구간 전용 차량에서의 직권 전동기 제어
교류 전용 차량에서의 전동기 제어는 기본적으로 전압 제어이지만, 구체적인 방법으로는 초기에는 교류 전기 기관차나 신칸센 0계 전동차에 변압기의 '''탭 전환 제어'''가 사용되었다. 이후 대전력용 반도체가 실용화되면서 한국철도공사 711계 전동차에서 볼 수 있는 '''사이리스터 위상 제어'''가 도입되어 회로가 간소화되고 무단 가속이 가능하게 되었다.교류에서는 정류 시 공급 전압을 자유롭게 설정할 수 있기 때문에, 속도에 반비례하여 토크가 감소하고 축 출력이 일정하게 유지된 채 증가하지 않으며 정류자의 정류가 악화되는 약계자 제어는 하지 않는다. 대신 주 전동기에 인가되는 전압을 높이는 방식을 사용한다. 한국철도공사 711계 전동차의 경우, 직류형 차량에서 375V, 120kW 출력으로 사용되는 MT54 전동기를 거의 그대로 사용하면서 전압 사양을 500V로 변경하여 150kW 출력의 MT54A (MT54E)로 사용하였다. 이는 최대 전류가 거의 같아 토크가 동일하고, 전압에 비례하여 최고 출력이 증가하는 방식이다. MT54E는 교직류 겸용 차량인 한국철도공사 417계 전동차에도 출력 정격 120kW로 사용되었다. 초기 신칸센 0계 등 다른 교류 전용 차량에서도 711계와 마찬가지로 약계자 제어를 사용하지 않았다.
참조
[1]
웹사이트
直巻モータ
http://www.nidec.com[...]
日本電産（現・[[ニデック (電機メーカー)|ニデック]]）
2015-11-20
[2]
문서
[3]
문서
[4]
문서
[5]
문서
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간행물
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글로벌 세계 대백과
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