직류전동기 실습 장비 결과보고서

본 내용은 " 부산대학교 응용전기전자실험2 결과보고서(1. 직류전동기 실습 장비 결과보고서) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.10.19

문서 내 토픽

• 1. 직류 분권 전동기

  직류 분권 전동기의 토크와 속도 특성을 실습하였다. 무부하시 1800r/min으로 조정하고 120Vdc 입력 유지 하에서 부하를 증가시키며 선 전류와 회전속도를 측정했다. KVL과 KCL을 적용하면 자속이 일정하고 역기전력은 E=KΦN으로 표현된다. 속도는 N=(E-IaRa)/(KΦ)로 전류에 대해 선형 관계를 보이며, 토크는 M=KΦIa로 전류에 비례한다. 실험 데이터와 이론식이 일치함을 확인했다.

• 2. 직류 직권 전동기

  직류 직권 전동기의 토크와 속도 특성을 실습하였다. 120Vdc 입력에서 부하를 증가시키며 선 전류와 회전속도를 측정했다. 역기전력 E=KΦN에서 자속이 전류에 비례(Φ∝I)하므로 속도는 N∝1/I 관계를 보인다. 토크는 T=KΦIa=KI²로 전류의 제곱에 비례하고 회전속도의 제곱에 반비례한다. 실험 그래프를 통해 이론식이 성립함을 확인했다.

• 3. 전동기 효율 및 전력 관계

  직류 분권 전동기에서 입력 전력(전압×전류)과 기계적 출력 전력(회전속도×토크)의 관계를 분석했다. 두 값이 일치함을 그래프로 확인하여 에너지 보존 법칙을 검증했다. 직류 직권 전동기에서도 토크와 전류의 제곱, 토크와 회전속도의 제곱 관계를 그래프로 확인하여 이론과 실험의 일치성을 입증했다.

• 4. 무부하 운전 및 내부 부하 분석

  토크를 0으로 설정했을 때 실제 측정값은 0이 아니었다. 직류 분권 전동기는 0.375N*m, 직권 전동기는 0.474N*m의 초기 토크가 발생했다. 이는 구동 전동기에서 대상 전동기로 동력 전달 시 마찰력 등으로 인한 내부 부하 때문이다. 따라서 완전한 무부하 운전은 불가능하며 내부 부하를 극복하기 위한 토크가 항상 필요함을 확인했다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 직류 분권 전동기

  직류 분권 전동기는 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 전동기 중 하나입니다. 이 전동기는 자장 코일이 전기자 코일과 병렬로 연결되어 있어 부하 변화에 따른 속도 변화가 적은 특징을 가집니다. 특히 일정한 속도 유지가 필요한 응용 분야에서 우수한 성능을 발휘합니다. 다만 정류자와 브러시의 유지보수가 필요하고, 초기 토크가 직권 전동기보다 낮다는 단점이 있습니다. 현대에는 전력 전자 기술의 발전으로 인해 AC 유도 전동기나 BLDC 전동기로의 전환이 진행 중이지만, 여전히 정밀한 속도 제어가 필요한 분야에서는 중요한 역할을 하고 있습니다.

• 2. 직류 직권 전동기

  직류 직권 전동기는 자장 코일이 전기자 코일과 직렬로 연결되어 있어 부하가 증가할수록 자장이 강해지는 특성을 가집니다. 이로 인해 초기 토크가 매우 크므로 크레인, 호이스트 등 무거운 부하를 들어올려야 하는 용도에 적합합니다. 그러나 부하가 감소하면 속도가 급격히 증가하는 문제가 있어 무부하 운전이 위험합니다. 또한 속도 제어가 어렵고 효율이 분권 전동기보다 낮은 편입니다. 현대 산업에서는 안전성과 제어 용이성 때문에 사용이 감소하고 있으나, 특정 중장비 분야에서는 여전히 필요한 전동기입니다.

• 3. 전동기 효율 및 전력 관계

  전동기의 효율은 입력 전력 대비 출력 전력의 비율로 정의되며, 산업 에너지 절감의 핵심 지표입니다. 직류 전동기의 효율은 일반적으로 75~90% 범위에서 변동하며, 부하율에 따라 달라집니다. 입력 전력은 전압과 전류의 곱으로 계산되고, 출력 전력은 토크와 각속도의 곱으로 표현됩니다. 손실은 주로 구리 손실, 철 손실, 기계적 손실로 구성됩니다. 효율을 높이기 위해서는 적절한 부하 조건에서 운전하고, 정기적인 유지보수를 통해 마찰 손실을 최소화해야 합니다. 현대에는 고효율 전동기 개발과 변속 드라이브 기술이 에너지 절감에 중요한 역할을 하고 있습니다.

• 4. 무부하 운전 및 내부 부하 분석

  무부하 운전은 전동기가 외부 부하 없이 회전하는 상태로, 이때 입력 전력은 주로 내부 손실을 보상하는 데 사용됩니다. 직류 전동기의 무부하 전류는 부하 전류보다 훨씬 작지만, 여전히 철 손실과 기계적 마찰 손실이 발생합니다. 특히 직류 직권 전동기는 무부하 운전 시 속도가 과도하게 증가하여 전동기 손상 위험이 있으므로 피해야 합니다. 내부 부하 분석을 통해 전동기의 상태를 진단할 수 있으며, 비정상적인 진동이나 소음은 베어링 마모나 정류자 문제를 나타낼 수 있습니다. 효율적인 운전을 위해서는 정격 부하의 50~100% 범위에서 운전하는 것이 권장되며, 정기적인 상태 모니터링이 필요합니다.