직류기 이론 3편: 직류 전동기의 속도 특성과 토크 특성

직류 전동기의 가장 큰 장점은 부하 변화에 따른 속도와 토크의 특성을 비교적 자유롭게 제어할 수 있다는 점이며, 이러한 특성 때문에 직류기는 오랫동안 산업 현장의 핵심 구동 장치로 사용되어 왔다. 전기기사 시험에서도 직류 전동기의 속도 특성과 토크 특성은 공식 암기뿐 아니라, 여자 방식에 따른 변화와 실제 운전 특성의 해석 능력을 묻는 문제로 자주 출제된다. 따라서 단순히 결과만 외우기보다는, 전류와 자속의 변화가 속도와 토크에 어떤 영향을 미치는지를 흐름으로 이해하는 것이 중요하다.

 

 

직류 전동기의 속도는 전기자에 인가되는 전압, 전기자 전류, 그리고 계자 자속의 크기에 의해 결정된다. 일반적으로 전기자 전압이 증가하면 속도는 증가하고, 계자 자속이 강해질수록 속도는 감소하는 경향을 보인다. 이는 직류 전동기에서 발생하는 역기전력과 밀접한 관련이 있으며, 전동기가 회전하면서 발생하는 역기전력이 전기자 전류를 제한하는 역할을 하기 때문이다. 부하가 증가하면 전기자 전류가 증가하고, 이에 따라 전압 강하가 커지면서 속도가 소폭 감소하게 된다. 이 특성은 직류 전동기의 안정적인 운전을 가능하게 하는 중요한 요소이다.

 

토크 특성은 직류 전동기의 기계적 출력 능력을 판단하는 기준이 된다. 직류 전동기의 발생 토크는 전기자 전류와 계자 자속의 곱에 비례하며, 이로 인해 여자 방식에 따라 토크 특성이 크게 달라진다. 분권 직류 전동기의 경우 계자 자속이 거의 일정하게 유지되므로, 토크는 전기자 전류에 거의 비례하게 증가한다. 이로 인해 기동 토크는 크지 않지만, 부드럽고 안정적인 운전이 가능하다. 반면 직권 직류 전동기는 계자 전류가 전기자 전류와 동일하게 흐르기 때문에, 부하가 증가할수록 자속이 함께 증가하여 매우 큰 기동 토크를 발생시킨다. 이러한 특성은 중부하 기동이 필요한 장치에 매우 유리하다.

 

직류 전동기의 속도와 토크 특성은 서로 밀접하게 연결되어 있으며, 하나의 특성만 따로 이해해서는 전체 운전 특성을 파악하기 어렵다. 예를 들어 직권 전동기는 기동 토크가 크지만, 부하 감소 시 속도가 급격히 증가하는 특성을 가지고 있어 무부하 운전이 위험하다. 반대로 분권 전동기는 속도 안정성은 우수하지만, 기동 토크가 작아 기동 시 부하 조건을 고려해야 한다. 이러한 대비는 전기기사 시험에서 “용도에 따른 전동기 선택” 문제로 자주 등장한다.

 

속도 제어 관점에서 보면 직류 전동기는 전기자 전압 제어와 계자 자속 제어를 통해 비교적 간단하게 속도 조절이 가능하다. 전기자 전압을 낮추면 속도가 감소하고, 계자 전류를 감소시켜 자속을 약화시키면 속도가 증가하는데, 이때 토크 특성과의 균형을 함께 고려해야 한다. 이러한 제어 방식은 이후 편에서 다루게 될 직류 전동기의 제어 이론으로 자연스럽게 이어진다.

 

전기기사 시험에서는 직류 전동기의 속도 특성과 토크 특성을 그래프 형태로 제시하거나, 특정 여자 방식에서 부하 변화 시 어떤 현상이 발생하는지를 묻는 문제가 빈번하다. 이때 공식만 기억하고 있으면 응용 문제에서 혼동하기 쉽기 때문에, 전류 증가 → 자속 변화 → 토크 변화 → 속도 변화라는 일련의 흐름을 머릿속에 정리해 두는 것이 매우 중요하다.

 

정리하자면, 직류 전동기의 속도 특성과 토크 특성은 직류기의 장점을 가장 잘 보여주는 요소이며, 여자 방식에 따라 그 성격이 명확하게 구분된다. 전기기사 수험생이라면 이 장을 통해 단순 계산을 넘어, 실제 기계가 어떻게 움직이는지를 상상하며 문제를 풀 수 있는 수준까지 이해도를 끌어올리는 것이 목표가 되어야 한다.