[전기공학] 전기기기(2) - 전기자 반작용의 발생 원인과 방지대책

이전글 - [전기공학] 전기기기(1) - 전자기 유도법칙과 직류기(직류발전기, 직류전동기, DC모터)의 원리

https://gaesung.tistory.com/31

[전기공학] 전기기기(1) - 전자기 유도법칙과 직류기(직류발전기, 직류전동기, DC모터)의 원리

 

 

앞서 전기기기의 기본적인 법칙들과 직류기의 원리, 구조 등에 대해 알아보았다. 직류기의 종류별 세부특성들을 알아보기에 앞아서 전기자 반작용에 대해 배워보자.

 

1. 전기자 반작용(Armature Reaction)이란?

 

발전기의 경우, 자기장 내에 위치한 코일이 회전하면 패러데이의 법칙(전자유도)에 의해 코일에는 유도기전력이 발생한다. 전동기의 경우에도 코일에 전압을 가하면 자기장 내에서 회전력을 얻게 된다. 여기서 자기장은 계자(보통 자석)에 의한 자기장만 생각했지만 실제로는 전기자에서도 자계가 발생한다.

 

왜냐하면 발전기에서는 계자의 자기장만 있었지만 코일이 회전하면서 전기자에 유도기전력이 발생해 전류가 흐르기 시작하기 때문이다. 그러면 계자의 자기장을 전기자에서 발생하는 자기장이 왜곡시키게 된다. 전동기에서도 계자의 자기장이 있는 상태에서 전기자에 전류를 흘리면서 코일이 회전하는데 이때 전기자 전류에 의한 자기장이 발생해서 마찬가지로 계자의 자기장분포가 변하게 된다.

 

전기자 반작용

 

상단 (가) 그림을 보면, N극에서 S극 방향으로 계자 자기장이 설정된다. 전기자 전류가 흐르지 않을 때에는 계자 자속에는 왜곡도 발생하지 않으며 문제가 없다.

 

(나) 그림과 같이 전기자에 전류가 흐르면 전기자에서 자기장이 발생한다. 암페어의 법칙에 따라 N극 옆의 나오는 방향의 전류는 시계 반대방향의 자기장을 발생시킨다. S극 옆의 들어가는 방향의 전류는 시계 방향의 자기장을 발생시킨다.

 

(다) 그림은 실제 직류기의 권선배치에서 전기자 반작용이 발생했을 경우의 모습이다. 전기자의 자기장으로 인해 계자의 자기장 분포가 찌그러지게 된다.

 

보통 직류기는 그림에서의 'A'축을 전제로 정류자편이 기계적으로 설계되고 제작된다. 하지만 이 축이 'B'의 위치로 이동하게 되면, A-B 사이에 위치한 전기자 도체는 자계 혹은 전류의 방향이 역치된다. 직류발전기였다면 A-B 사이의 도체는 전동기처럼 움직이는데 역방향으로 힘을 가해 발전전압이 저하되고 발전 효율이 떨어진다. 직류전동기에서는 A-B 사이 도체는 발전기처럼 움직여서 역기전력이 발생하여 토크가 떨어지고 모터 효율이 떨어진다.

 

따라서 직류기에서는 기기의 효율 및 안정성을 위해 전기자 반작용이 발생하지 않도록 방지대책을 적용하여야 한다.

 

 

2. 전기자 반작용 방지대책

전기자 반작용을 방지하는 방법은 크게 전기자 자기력을 상쇄시키는 방법과 전기자 자기력의 영향력을 축소시키는 방법 등 다양한 대책이 있다.

 

1) 보상권선(compensating winding)

계자의 표면 슬롯에 전기자 전류 반대방향으로 권선을 추가하여 전기자에서 발생되는 기자력을 상쇄시키는 방식이다.

 

2) 보극(interpole)

보상권선과 비슷한 원리로 전기자 자속의 반대방향으로 계자의 주자극 사이에 계자를 보조하는 작은 자극을 추가로 배치하는 방식이다.

 

3) 브러시를 전기적 중성축으로 이동시킨다.

위의 (다) 그림에서 브러시를 'B축'에 맞게 이동시키면 정류자편이 정확한 위치에 도달하므로 전기자 반작용에 따른 문제가 발생하지 않는다. 정격 부하전류에서는 브러시의 위치를 조정한 상태로 설계 및 제작할 수 있으나 브러시를 기계적으로 이동시킬 수 없으므로 부하전류가 변화하여 정격값이 흐르지 않는 경우에는 전기적 중성축이 이동할 우려가 있다.

 

4) 계자의 자기장 세기를 키운다.

계자에서 발생하는 자기장의 세기가 전기자의 자기장 세기보다 충분히 크다면 상대적으로 영향을 적게 받으므로 전기자 반작용을 방지할 수 있다. 하지만 기기의 경제성과 효율이 떨어진다.

 

그 외에도 여러 방지방안이 있으나 이 중에서 가장 효과적인 방법은 보상권선을 설치하는 것이다.

 

 

 

다음에는 타여자 발전기의 구조와 운전 특성에 대해 알아보자.

 

다음글 - [전기공학] 전기기기(3) - 직류발전기, 타여자 발전기의 운전 특성

https://gaesung.tistory.com/33

[전기공학] 전기기기(3) - 직류발전기, 타여자 발전기의 운전 특성