직류기 이론 2편: 여자 방식에 따른 직류기의 분류와 운전 특성

직류기의 성능과 운전 특성은 계자에 어떤 방식으로 전류를 공급하느냐에 따라 크게 달라지며, 이를 여자 방식이라고 한다. 직류기 이론에서 여자 방식은 단순한 구조적 차이를 넘어서 전압 특성, 토크 특성, 안정성까지 결정하는 핵심 요소이기 때문에 전기기사 시험에서 매우 중요한 비중을 차지한다. 특히 분권, 직권, 복권 직류기는 각각 뚜렷한 특성을 가지고 있어 계산 문제뿐 아니라 개념 비교 문제로도 자주 출제된다.

 

 

분권 직류기는 계자권선이 전기자와 병렬로 연결된 구조를 가지며, 정격 전압이 계자에 그대로 인가되는 것이 특징이다. 이로 인해 계자 전류가 비교적 일정하게 유지되고, 자속 또한 크게 변하지 않는다. 이러한 특성 덕분에 분권 직류기는 부하가 변해도 회전 속도가 거의 일정하게 유지되며, 속도 안정성이 요구되는 기계에 적합하다. 직류 전동기로 사용될 경우 무부하와 전부하 사이의 속도 변화가 작아 공작 기계나 송풍기와 같은 용도에 많이 활용된다. 반면 기동 토크는 상대적으로 크지 않아 중부하 기동에는 적합하지 않다.

 

직권 직류기는 계자권선이 전기자와 직렬로 연결된 구조를 가지며, 부하 전류가 곧 계자 전류가 되는 것이 가장 큰 특징이다. 이 때문에 부하가 증가하면 계자 전류가 증가하고 자속이 커지며, 그 결과 매우 큰 기동 토크를 발생시킬 수 있다. 이러한 특성으로 인해 직권 직류기는 전차, 크레인, 권상기와 같이 큰 기동 토크가 필요한 장치에 적합하다. 그러나 부하가 줄어들면 계자 전류와 자속이 급격히 감소하여 속도가 과도하게 상승하는 위험한 특성을 가지고 있다. 이 때문에 직권 전동기는 반드시 부하와 함께 운전해야 하며, 무부하 운전은 절대 금지 사항으로 자주 언급된다.

 

복권 직류기는 분권 계자와 직권 계자를 동시에 사용하는 구조로, 두 계자의 특성을 조합하여 단점을 보완한 형태이다. 복권 방식은 다시 가동 복권과 차동 복권으로 나뉘는데, 가동 복권은 분권 계자와 직권 계자의 자속이 같은 방향으로 작용하여 부하 증가 시 전압 유지 특성이 우수하다. 이 방식은 발전기 운전 시 부하 변동에 따른 전압 강하를 보상할 수 있어 안정적인 전압 공급이 가능하다. 반면 차동 복권은 두 계자의 자속이 서로 반대 방향으로 작용하여 부하 증가 시 자속이 감소하는 특성을 가지며, 불안정한 운전 특성으로 인해 실제 사용은 매우 제한적이다.

 

직류기의 여자 방식은 발전기와 전동기 운전 모두에 영향을 미친다. 직류 발전기의 경우 분권 방식은 비교적 일정한 출력 전압을 제공하지만, 부하 증가 시 전압 강하가 발생할 수 있다. 이를 보완하기 위해 가동 복권 방식이 사용되며, 이는 실무에서도 자주 활용되는 방식이다. 반대로 직류 전동기에서는 직권 방식이 기동 특성에서 큰 장점을 가지지만, 속도 제어와 안전성 측면에서 주의가 필요하다. 전기기사 시험에서는 이러한 운전 특성을 실제 적용 사례와 연결하여 묻는 문제가 자주 출제된다.

 

결국 분권, 직권, 복권 직류기의 차이는 계자 전류의 흐름 방식과 그에 따른 자속 변화에서 비롯된다. 이 자속 변화는 곧 속도, 토크, 전압 특성으로 이어지며, 직류기의 전체적인 성능을 좌우한다. 따라서 각 여자 방식의 구조를 단순히 외우기보다는, 부하 변화에 따라 전류와 자속이 어떻게 달라지는지를 흐름으로 이해하는 것이 중요하다. 이러한 이해는 이후 학습하게 될 직류기의 특성 곡선과 제어 이론을 보다 쉽게 받아들이는 기반이 된다.

 

직류기 이론 2편에서는 여자 방식이라는 하나의 기준을 통해 다양한 직류기의 특성을 비교해 보았다. 이 내용은 단독으로 끝나는 것이 아니라, 다음 편에서 다루게 될 직류기의 속도 특성, 토크 특성과 자연스럽게 연결된다. 전기기사 수험생이라면 이 장을 통해 직류기를 단순한 분류 대상이 아닌, 운전 목적에 따라 선택되는 실질적인 기기로 이해하는 시각을 갖는 것이 중요하다.