직류기 이론 5편: 전기자 반작용과 보극·보상권선의 역할

직류기를 실제로 운전할 때 가장 중요한 문제 중 하나는 부하가 걸릴수록 자계 분포가 왜곡되고, 이로 인해 정류 상태가 악화된다는 점이다. 이러한 현상의 근본 원인이 바로 전기자 반작용이며, 직류기 이론에서 전기자 반작용은 정류 문제와 직결되는 핵심 개념으로 다뤄진다. 전기기사 시험에서도 전기자 반작용의 영향과 이를 억제하기 위한 보극과 보상권선의 역할을 묻는 문제가 반복적으로 출제되기 때문에, 단순 정의를 넘어서 원인과 결과의 흐름을 정확히 이해하는 것이 중요하다.

 

 

전기자 반작용이란 전기자 권선에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자계가 주자극의 자계와 상호 작용하면서 전체 자계 분포를 왜곡시키는 현상을 의미한다. 무부하 상태에서는 주자극에 의해 비교적 대칭적인 자계가 형성되지만, 부하가 증가하여 전기자 전류가 흐르게 되면 전기자 자계가 형성되어 주자극 자계에 영향을 미치게 된다. 이로 인해 자속 밀도가 한쪽으로 치우치고, 중성축이 이동하게 되며, 이는 정류 구간에서 불필요한 유도 기전력을 발생시켜 스파크의 원인이 된다.

 

전기자 반작용의 영향은 크게 자계 왜곡과 감자 작용으로 나눌 수 있다. 자계 왜곡은 주자극 아래의 자속 분포가 불균형해지는 현상으로, 정류자 부근에서 자계가 강해지거나 약해지는 문제를 유발한다. 감자 작용은 주자극 자속 자체를 감소시키는 효과로, 발전기에서는 출력 전압 저하, 전동기에서는 토크 감소와 같은 성능 저하로 이어진다. 전기기사 시험에서는 이 두 가지 효과를 구분하여 설명하도록 요구하는 문제가 자주 출제된다.

 

이러한 전기자 반작용을 억제하기 위한 대표적인 장치가 바로 보극이다. 보극은 주자극 사이에 설치되며, 전기자 전류와 직렬로 연결되어 부하에 비례한 자계를 형성한다. 이 보극 자계는 정류 구간에서 발생하는 전기자 반작용을 상쇄하여 정류를 원활하게 만드는 역할을 한다. 특히 부하 변화가 큰 경우에도 안정적인 정류를 유지할 수 있다는 점에서 보극은 현대 직류기에서 거의 필수적인 구성 요소로 사용된다.

 

보상권선은 주자극 아래의 전기자 반작용을 직접적으로 제거하기 위한 장치로, 주자극 극면에 설치되어 전기자 권선과 직렬로 연결된다. 보상권선은 전기자 자계에 대응하는 반대 방향의 자계를 형성하여 주자극 하부에서 발생하는 자속 왜곡을 근본적으로 제거한다. 이로 인해 직류기는 고부하 운전에서도 자계 분포가 안정적으로 유지되며, 정류 성능과 출력 특성이 크게 개선된다. 전기기사 시험에서는 보극과 보상권선의 차이와 역할을 비교하는 문제가 자주 출제된다.

 

결론적으로 전기자 반작용은 직류기의 구조적 한계에서 비롯되는 현상이지만, 보극과 보상권선이라는 보완 장치를 통해 충분히 제어할 수 있다. 이 세 가지 개념은 각각 독립적으로 존재하는 것이 아니라, 하나의 흐름으로 연결되어 있으며 직류기의 성능과 신뢰성을 좌우하는 핵심 요소이다. 전기기사 수험생이라면 이 장을 통해 직류기의 내부에서 어떤 일이 벌어지고 있는지를 머릿속으로 그릴 수 있는 수준까지 이해도를 끌어올리는 것이 중요하다.