직류기 이론 7편: 직류 전동기의 속도 제어 방법과 운전 특성

직류 전동기는 다른 전동기에 비해 속도 제어가 비교적 간단하고 제어 특성이 우수하다는 장점을 가지고 있으며, 이러한 이유로 정밀한 속도 조절이 필요한 산업 현장에서 오랫동안 사용되어 왔다. 전기기사 시험에서도 직류 전동기의 속도 제어 방법은 단순한 암기 문제가 아니라, 각 제어 방식이 속도와 토크 특성에 어떤 영향을 미치는지를 이해하고 있는지를 묻는 형태로 자주 출제된다. 따라서 속도 제어의 원리를 전동기의 내부 동작과 연계하여 정리해 두는 것이 중요하다.

 

 

직류 전동기의 속도는 기본적으로 전기자에 인가되는 전압과 계자 자속의 크기에 의해 결정된다. 이 관계를 바탕으로 직류 전동기의 속도 제어 방법은 크게 전기자 전압 제어 방식과 계자 제어 방식으로 나눌 수 있다. 전기자 전압 제어는 전기자에 인가되는 전압을 변화시켜 속도를 조절하는 방법으로, 구조가 단순하고 제어 특성이 안정적이라는 장점이 있다. 전기자 전압을 낮추면 전동기의 속도는 감소하고, 전압을 높이면 속도가 증가하며, 이때 계자 자속이 일정하기 때문에 토크 특성도 비교적 안정적으로 유지된다.

 

계자 제어 방식은 계자 전류를 변화시켜 자속의 크기를 조절하는 방법이다. 계자 전류를 감소시키면 자속이 약화되고, 이에 따라 전동기의 속도는 증가하게 된다. 이 방식은 정격 속도 이상으로 속도를 높일 수 있다는 장점이 있지만, 자속 약화로 인해 토크가 감소하는 단점이 존재한다. 따라서 계자 제어는 경부하 상태에서 고속 운전이 필요한 경우에 주로 사용된다. 전기기사 시험에서는 계자 제어 시 발생하는 토크 감소와 그에 따른 운전상의 주의점을 묻는 문제가 자주 출제된다.

 

직권 직류 전동기의 경우 속도 제어가 더욱 주의 깊게 이루어져야 한다. 직권 전동기는 부하 변화에 따라 자속이 크게 변하기 때문에, 단순한 전압 제어만으로는 안정적인 속도 제어가 어렵다. 이 때문에 직권 전동기에서는 분로 저항이나 직렬 저항을 이용한 제어 방식이 사용되며, 이들 방식은 부하 조건에 따라 속도 특성이 크게 달라진다. 특히 부하가 감소하면 속도가 급격히 상승하는 특성이 있으므로, 속도 제어 시 항상 안전성을 고려해야 한다.

 

속도 제어 방법의 선택은 전동기의 용도와 운전 조건에 따라 달라진다. 일정한 속도를 유지해야 하는 설비에는 전기자 전압 제어 방식이 적합하며, 넓은 범위의 속도 조절이 필요한 경우에는 계자 제어 방식을 병행하여 사용하기도 한다. 전기기사 시험에서는 이러한 제어 방식과 실제 적용 사례를 연결하여 묻는 문제가 자주 출제되므로, 각 방식의 장단점을 명확히 구분해 두는 것이 중요하다.

 

결론적으로 직류 전동기의 속도 제어는 전동기의 기본 원리를 가장 잘 활용한 제어 방식이라 할 수 있으며, 전기자 전압과 계자 자속이라는 두 요소의 균형을 통해 다양한 운전 조건을 만족시킬 수 있다. 전기기사 수험생이라면 이 장을 통해 직류 전동기의 제어 특성을 단순한 공식이 아닌, 실제 기계의 동작 과정으로 이해하는 것이 바람직하다.