DC 모터 속도 제어: 아머 저항 제어 및 필드 플럭스 제어
DC 모터는 기계적 전력을 직류 전기 전력으로 변환하는 장치입니다. DC 모터의 가장 눈에 띄는 특징 중 하나는 간단한 방법으로 특정 요구 사항에 따라 속도를 쉽게 조정할 수 있는 능력입니다. 이러한 수준의 편리한 속도 제어는 AC 모터에서는 쉽게 달성할 수 없습니다.
속도 조정과 속도 제어의 개념은 다르다. 속도 조정의 경우, 모터의 속도는 다양한 작동 조건에 따라 자동으로 변화합니다. 반면 DC 모터의 경우에는 속도 변화가 운전자의 수동 조작이나 제어 장치를 통한 자동 조작으로 의도적으로 시작됩니다. DC 모터의 속도는 다음과 같은 관계로 결정됩니다:
식 (1)은 DC 모터의 속도가 세 가지 주요 요인, 즉 공급 전압 V, 암처 회로 저항 Ra, 그리고 필드 전류에 의해 생성되는 필드 플럭스 ϕ에 의존함을 명확히 보여줍니다.
DC 모터의 속도를 제어할 때, 전압, 암처 저항, 필드 플럭스의 조작은 중요한 고려사항입니다. 아래에 나열된 것처럼 DC 모터 속도 제어를 위한 세 가지 주요 기법이 있습니다:
암처 회로 저항의 변화 (암처 저항 또는 레오스태틱 제어)
필드 플럭스의 변화 (필드 플럭스 제어)
적용 전압의 변화 (암처 전압 제어)
각각의 속도 제어 방법에 대한 더 깊은 탐구는 이후에 제공됩니다.
DC 모터의 암처 저항 제어 (병렬 모터)
병렬 모터에서 암처 저항 제어를 구현하기 위한 연결 다이어그램은 아래에 나타나 있습니다. 이 접근 방식에서는 가변 저항 Re가 암처 회로에 삽입됩니다. 특히, 이 가변 저항의 값 변화는 필드 윤딩이 공급 전원에 직접 연결되기 때문에 자기 플럭스에는 영향을 미치지 않습니다.
병렬 모터의 속도-전류 특성은 아래에 표시되어 있습니다.
직렬 모터
이제 암처 저항 제어 방법을 사용하여 DC 직렬 모터의 속도를 제어하는 연결 다이어그램을 살펴보겠습니다.
암처 회로 저항을 조정하면 회로를 통과하는 전류와 모터 내부의 자기 플럭스에 동시에 영향을 미칩니다. 가변 저항을 통해 발생하는 전압 강하로 인해 암처에 적용되는 전압이 감소하게 됩니다. 결과적으로, 암처 전압의 감소로 인해 모터의 회전 속도가 줄어듭니다.
직렬 모터의 속도-전류 특성 곡선은 모터의 속도와 이를 통과하는 전류 사이의 관계를 나타내며, 아래 그림에 표시되어 있습니다.
가변 저항 Re의 값이 증가할수록 모터는 더 낮은 회전 속도로 작동합니다. 가변 저항은 전체 암처 전류를 전도하므로, 과열이나 고장 없이 지속적으로 정격 암처 전류를 처리할 수 있도록 설계되어야 합니다.
암처 저항 제어 방법의 단점
외부 저항 Re 내에서 많은 양의 전기 에너지가 열로 소산되므로, 효율성이 떨어지고 에너지 낭비가 발생합니다.
이 암처 저항 제어 방법은 모터의 속도를 정상 작동 속도보다 낮추는 데 한정되며, 정상 속도 이상으로 속도를 높이는 것은 불가능합니다.
특정 가변 저항 값에 대해 속도 감소 정도는 일정하지 않고, 모터에 가해진 부하에 따라 변동하므로, 정밀한 속도 조절이 어렵습니다.
이 속도 제어 방법의 본질적인 비효율성과 제한으로 인해, 이 방법은 주로 소형 모터에만 적합합니다.
DC 모터의 필드 플럭스 제어 방법
DC 모터 내의 자기 플럭스는 필드 전류에 의해 생성됩니다. 따라서, 이 방법을 사용한 속도 제어는 필드 전류의 크기를 조정하여 이루어집니다.
병렬 모터
병렬 모터에서는 가변 저항 RC가 병렬 필드 윤딩과 직렬로 연결됩니다. 아래 그림에 도시된 바와 같습니다. 이 RC는 일반적으로 병렬 필드 조절기라고 불리며, 필드 전류와 그 결과로 생기는 자기 플럭스를 변경하는 데 중요한 역할을 합니다.
병렬 필드 전류는 아래 식에 의해 주어집니다:
가변 저항 RC가 필드 회로에 삽입되면 필드 전류의 흐름을 제한합니다. 결과적으로, 필드 윤딩에 의해 생성되는 자기 플럭스가 감소합니다. 이 플럭스의 감소는 모터의 속도를 증가시키는데 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서, 모터는 정상 상태보다 높은 회전 속도로 작동합니다.
이 독특한 특성 덕분에 필드 플럭스 제어 방법은 두 가지 주요 목적에 매우 유용합니다. 첫째, 이 방법을 통해 모터는 표준 작동 속도보다 높은 속도를 달성할 수 있어, 높은 회전 속도가 필요한 응용 분야에서 유연성을 제공합니다. 둘째, 모터가 부하를 받을 때 자연스럽게 발생하는 속도 하락을 상쇄하여, 다양한 부하 조건에서도 더 일관된 속도를 유지할 수 있습니다.
병렬 모터의 속도-토크 곡선은 모터의 회전 속도와 그가 생산할 수 있는 토크 사이의 관계를 그래픽으로 나타냅니다. 이 곡선은 필드 플럭스 제어 방법이 적용될 때 모터의 성능 특성을 다양한 작동 시나리오에서 이해하는 데 귀중한 정보를 제공합니다.
직렬 모터
직렬 모터의 경우, 필드 전류를 변경하는 방법은 두 가지가 있습니다: 디버터를 사용하거나 필드 제어를 탭핑하는 방법입니다.
디버터를 사용하여
아래 그림에 표시된 바와 같이, 가변 저항 Rd가 직렬 필드 윤딩과 병렬로 연결됩니다. 이 구성은 회로 내의 전류 분포를 조작하여, 직렬 필드 윤딩에 의해 생성되는 자기장의 강도에 영향을 미칩니다.
이 설정에서 병렬 저항은 디버터로 알려져 있습니다. 가변 저항 Rd를 가진 디버터가 연결되면, 일부 주 전류가 직렬 필드 윤딩에서 분산됩니다. 결과적으로, 디버터의 주요 기능은 필드 윤딩을 통과하는 전류의 크기를 줄이는 것입니다. 필드 전류가 감소하면, 필드에 의해 생성되는 자기 플럭스도 감소합니다. 이 플럭스의 감소로 인해 모터의 회전 속도가 증가합니다. 탭핑 필드 제어두 번째 접근 방식은 직렬 모터에서 필드 전류를 변경하기 위해 탭핑 필드 제어를 사용하는 것입니다. 해당 연결 다이어그램은 아래에 제시되어 있습니다.
탭핑 필드 제어 방법에서는 암페어-턴을 활성 필드 턴의 수를 변경하여 조정합니다. 이 특정 구성은 전기 트랙션 시스템에 매우 적합합니다. 필드 턴의 수를 조작하여, 모터의 필드 윤딩에 의해 생성되는 자기장 플럭스를 변경하여, 모터의 속도를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
직렬 모터의 속도-토크 특성 곡선은 모터의 회전 속도와 다양한 작동 조건에서 생산할 수 있는 토크 사이의 관계를 그래픽으로 나타냅니다. 이 곡선은 탭핑 필드 제어 방법이 사용될 때 모터의 성능 능력을 이해하는 데 도움이 되며, 엔지니어와 기술자들이 부하와 속도 설정의 변화에 따라 모터가 어떻게 반응하는지 이해하는 데 도움이 됩니다.
필드 플럭스 제어의 장점
필드 플럭스 제어 방법은 다음과 같은 여러 가지 주요 이점을 제공합니다:
사용 용이성: 이 접근 방식은 간단하고 사용자 친화적이어서, 간단한 구현과 운영을 가능하게 합니다.
낮은 전력 손실: 병렬 필드는 일반적으로 상대적으로 작은 전류 요구 사항을 가지므로, 병렬 필드 내에서 소모되는 전력은 최소로 유지되어 전반적인 효율성을 개선합니다.
속도 증가 메커니즘: 자기 회로의 철심 포화로 인해, 자기 플럭스는 일반적으로 정상 값 이상으로 증가할 수 없습니다. 따라서, 필드 플럭스 제어는 주로 필드를 약화시키는 데 초점을 맞추며, 이는 효과적으로 모터의 회전 속도를 증가시킵니다.
제어 적용 범위: 그러나 이 방법은 제한된 범위 내에서만 적용 가능합니다. 필드를 지나치게 약화시키면 모터의 작동이 불안정해질 수 있으므로, 정밀한 제어와 안정성이 필요한 특정 시나리오에서만 사용됩니다.
