직류기 이론 4편: 직류기의 손실, 효율 그리고 정류 문제의 이해

직류기의 성능을 평가할 때 가장 중요한 기준 중 하나는 손실과 효율이며, 이와 함께 반드시 함께 이해해야 할 요소가 바로 정류 문제이다. 직류기는 구조적으로 정류자와 브러시를 사용하기 때문에 다른 전기기기에 비해 손실 요소가 다양하고, 정류 상태에 따라 성능과 수명이 크게 달라진다. 전기기사 시험에서는 직류기의 손실을 단순 분류 문제로 묻는 데서 그치지 않고, 효율 계산과 정류 불량의 원인 및 대책을 함께 묻는 경우가 많기 때문에 이 세 가지 개념을 하나의 흐름으로 정리해 두는 것이 중요하다.

 

 

직류기의 손실은 크게 전기적 손실, 기계적 손실, 그리고 부하에 따라 변화하는 손실로 나눌 수 있다. 전기적 손실에는 전기자 권선과 계자 권선에서 발생하는 동손이 포함되며, 이는 전류의 제곱에 비례하여 증가하는 특성을 가진다. 전기자 동손은 부하 전류가 증가할수록 급격히 커지며, 계자 동손은 여자 방식에 따라 일정하거나 부하에 따라 변하는 특성을 보인다. 이와 함께 철심에서 발생하는 히스테리시스 손실과 와류 손실은 철손으로 분류되며, 회전 속도와 자속의 크기에 영향을 받는다.

 

기계적 손실은 베어링 마찰, 브러시 마찰, 풍손과 같이 회전 자체에서 발생하는 손실을 의미한다. 이러한 손실은 부하와는 크게 관계없이 일정하게 발생하는 특성을 가지며, 직류기의 효율을 저하시키는 요인으로 작용한다. 전기기사 시험에서는 이 손실들을 묶어 ‘고정 손실’ 또는 ‘정손실’로 분류하는 경우가 많으며, 부하 변화와 무관하다는 점을 정확히 구분하는 것이 중요하다.

 

직류기의 효율은 출력과 입력의 비로 정의되며, 손실의 크기에 따라 결정된다. 일반적으로 직류기는 경부하에서는 효율이 낮고, 정격 부하 근처에서 최대 효율을 나타낸다. 이는 부하 증가에 따라 출력이 증가하지만, 동시에 동손이 증가하기 때문에 일정 지점에서 효율이 최대가 되기 때문이다. 전기기사 시험에서는 최대 효율 조건을 묻는 문제도 자주 출제되며, 이때 고정 손실과 가변 손실의 관계를 이해하고 있어야 문제를 정확히 풀 수 있다.

 

정류 문제는 직류기에서만 나타나는 고유한 현상으로, 정류자가 전기자 내부의 교류 성분을 외부에서 직류로 바꾸는 과정에서 발생한다. 이상적인 정류가 이루어지지 않으면 브러시와 정류자 사이에서 스파크가 발생하며, 이는 전기자의 손상과 효율 저하로 이어진다. 정류 불량의 주요 원인으로는 전기자 반작용, 브러시 위치 불량, 과도한 부하 전류 등이 있으며, 이 중 전기자 반작용은 자계 분포를 왜곡시켜 정류를 어렵게 만드는 핵심 요인으로 꼽힌다.

 

정류 문제를 개선하기 위한 대표적인 방법으로는 중성축 조정, 보극 설치, 보상 권선 사용 등이 있다. 보극은 전기자 반작용을 상쇄하여 정류 구간의 자계를 안정시키는 역할을 하며, 보상 권선은 주자극 아래의 자계 왜곡을 줄여준다. 이러한 대책들은 시험에서 서술형 또는 선택형으로 자주 등장하며, 단순 나열이 아니라 각각의 목적과 효과를 함께 이해하고 있어야 한다.

 

결론적으로 직류기의 손실과 효율, 그리고 정류 문제는 서로 독립된 개념이 아니라 하나의 시스템 안에서 상호 작용하는 요소들이다. 손실이 증가하면 효율은 감소하고, 정류 상태가 불량해지면 추가적인 손실과 기계적 마모가 발생한다. 전기기사 수험생이라면 이 장을 통해 직류기를 단순한 공식의 집합이 아니라, 실제로 운전되고 관리되어야 하는 기계로 이해하는 시각을 갖는 것이 중요하다.