전기기사 직류 전동기 속도 특성 곡선이란?

오늘은 직류 전동기의 속도 특성 곡선과 함께 전동기의 동작 특성을 함께 알아보겠습니다. 먼저 직류 전동기의 속도 특성에 대해서 알아본 뒤, 종류별 직류 전동기를 비교해보고, 직류 전동기 유형에 따른 속도 - 토크 그래프를 다뤄보겠습니다. 그럼 함께 알아볼까요?

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🔹 직류 전동기의 속도 특성이란?

직류 전동기의 속도 특성이란, 전동기의 속도(회전수, rpm)가 부하 토크나 전압, 계자 전류 등의 변화에 따라 어떻게 달라지는지를 나타낸 곡선입니다. 일반적으로 다음 3가지의 특성 곡선이 있습니다.

1. 속도 - 토크 특성 (N - T 곡선)

2. 속도 - 전류 특성 (N - I 곡선)

3. 속도 - 전압 특성 (N - V 곡선)

이중 가장 대표적인 곡선은 1. 속도 - 토크 특성 곡선입니다.

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🔹 2. 속도-토크 특성 (N-T 곡선)

직류 전동기의 종류에 따라 속도-토크 특성이 달라지며, 각 전동기 유형별 특성은 다음과 같습니다.

또한 직류 전동기의 유형에 따른 그래프를 알아보기 전에,

회전 속도(N)와 토크(T)는 단자 전압 및 각종 전류 값에 따라 값이 달라집니다.

변수가 많은 상태에서 회전 속도와 토크를 계산하고 생각하는 것은 어려우므로, 단자 전압과 계자 전류의 흐름이 일정하다는 조건 하에, 부하 전류의 변화에 대한 회전속도와 토크의 변화 관계를 알아보도록 하겠습니다.

가로 축: 부하 전류 I (단위: A)

세로 축: 회전 속도 N (단위: min^-1)또는 토크 T (단위: N·m)

 

✅ (1) 분권형 직류 전동기 (Shunt DC Motor)

분권 직류 전동기 속도- 토크 특성 곡선

• 속도 변화가 작고, 거의 일정합니다.
• 부하 토크가 증가해도 속도는 약간만 감소합니다.
• 속도-토크 곡선은 완만한 하강 직선입니다.

 특징: 일정한 속도가 필요한 설비(예: 팬, 송풍기 등)에 적합합니다.

분권형 전동기는 토크 곡선의 시작점이 원점에서 오른쪽으로 약간 벗어나 있는데, 그 이유는 다음과 같습니다.

분권 전동기는 부하 전류 I = 전기자 전류 Ia + 계자 전류 If 이기 때문에 부하 전류 I 가 0이 되지 않습니다.

※ 참고로 타여 전동기는 계자 전류라는 개념이 없어서 부하 전류 I = 전기자 전류 Ia 입니다.

 

✅ (2) 직권형 직류 전동기 (Series DC Motor)

직권 직류 전동기 속도- 토크 특성 곡선

• 무부하 시에는 속도가 매우 빨라져 위험할 수 있습니다.
• 부하가 증가하면 속도는 크게 감소합니다.
• 속도-토크 곡선은 비선형 하강 곡선(곡률이 큼)입니다.

특징: 큰 시동 토크가 필요한 기계(예: 전차, 크레인)에 적합합니다.

 

✅ (3) 복권형 직류 전동기 (Compound DC Motor)

복권 직류 전동기 속도- 토크 특성 곡선

• 분권형과 직권형의 중간 형태입니다.
• 직권 성분과 분권 성분의 비율에 따라 곡선 형태가 달라집니다.
• 보통 적절한 속도 안정성과 시동 토크를 동시에 가집니다.

특징: 다양한 부하 조건에서 안정적인 운전을 원할 때 사용됩니다.

※  참고로 복권 전동기는 분권 전동기와 직권 전동기의 특성을 동시에 갖도록 설계한 전동기입니다.

복권형 직류 전동기는 두 계자권선의 전류 방향이 어떻게 작용하느냐에 따라 가동 복권과 차동 복권으로 나뉩니다.

 

✅ (3)-1 가동 복권 (Cumulative Compound DC Motor)

 

• 직권 권선과 분권 권선이 같은 방향으로 자기장을 형성합니다. (서로 보강함)
• 결과적으로 자속이 증가하고, 시동 토크가 매우 큼.
• 부하가 증가해도 속도가 너무 급격하게 떨어지지 않아 안정적입니다.
• 일반적인 복권 전동기는 대부분 가동 복권입니다.

 

✅ (3)-2 차동 복권 (Differential Compound DC Motor)

 

• 직권 권선과 분권 권선이 반대 방향으로 자기장을 형성합니다. (서로 상쇄함)
• 부하가 커질수록 직권 자속이 증가하는데, 이 자속이 분권 자속을 약화시켜서 속도가 오히려 증가할 수 있음.
• 속도 제어가 어려워 산업용으로 거의 사용되지 않음.

 

 

 

 

정리하면,

분권 직류 전동기: 거의 수평에 가까운 직선

직권 직류 전동기: 오른쪽 아래로 크게 휘어지는 곡선

복권 진류 전동기: 분권과 직권 그 중간 형태의 곡선이고, 세부적으로 가동 복권과 차동 복권으로 나뉜다.

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실제 전기기사 2019 필기 기출로 출제된 문제를 함께 보며 위 개념들을 잘 이해했는지 확인해보겠습니다.

문제. 그림은 여러 직류 전동기의 속도 특성 곡선을 나타낸 것이다. 1부터 4까지 차례로 옳은 것은?

1. 차동 복권, 분권, 가동 복권, 직권

2. 직권, 가동 복권, 분권, 차동 복권

3. 가동 복권, 차동 복권, 직권, 분권

4. 분권, 직권, 가동 복권, 차동 복권

 

 

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문제의 답은 2번으로 순서대로 직권, 가동 복권, 분권, 차동 복권이었습니다.

해설을 덧붙이자면 직권 전동기의 속도 변동률이 가장 크고, 분권 전동기는 속도 변동이 거의 없습니다. 가동 복권 전동기는 직권과 분권의 조합이므로 중간적 특성을 가지며 기동 토크의 크기는 분권과 직권 사이입니다.

 

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이렇게 직류 전동기의 특성 곡선 중 회전 속도 - 토크 특성 곡선에 대해 알아보았습니다. 분권, 직권, 복권, 그리고 가동 복권, 차동 복권의 특성에 대해 이해했습니다. 분권 직류 전동기의 곡선은 다른 곡선과는 다르게 토크 곡선의 시작점이 원점이 아니었고, 그 이유에 대해서도 간단하게 다뤄보았습니다. 학습에 도움이 되셨길 바라며, 시험을 준비 중이라면 좋은 결과 있으시길 바라겠습니다.