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[마일포스트]

발전제동 및 회생제동의 원리

자동차를 타고 급한 내리막길을 내려갈 때 흔히 엔진브레이크 를 사용한다. 평소에는 엔진의 회전력이 바퀴를 회전시켜 자동차가 전진하게 되지만 내리막길에서 엔진의 회전 속도를 바퀴의 회전속도 보다 낮게 줄여주면 오히려 엔진이 바퀴의 회전을 방해하여 브레이크 를 잡아주는 것이다.

   고속철도 차량에서는 자동차의 엔진대신 전동기 가 이 역학을 하지만 원리는 마찬가지다.

  평소에 바퀴를 회전시켜 주던 주 전동기는 회로를 약간만 변경시키면 발전기 로 변한다. 이때 지금까지 회전하던 방향과 반대방향으로 회전하려는 힘, 즉 제동력이 생기는데 이 원리를 이용하면 기계적 제동장치의 최대 약점인 부품의 마모나 마찰면의 발열 등이 나타나지 않는 전기제동이 가능하다.

 전기제동의 원리를 설명이 쉽도록 위의 그림처럼 직류전동기 의 예를 들어 설명하면 차량이 달리고 있을 때는 차단기 가 ON되어 있어 전동기의 고정자와 회전자 에 전류가 흐르고 플레밍 의 왼손법칙에 의하여 시계방향으로 회전하여 차륜을 돌려 열차가 진행한다. 브레이크를 잡으면 차단기가 OFF되고 회전자가 반대로 접속되어 폐회로가 구성되므로 전동기는 발전기의 역할을 하게 되는 데 이때 자속과 힘의 방향을 알기 때문에 플레밍의 오른손법칙에 의해 발전되는 전류의 방향을 구해보면 전동기 때 흐르는 전류의 방향과는 반대임을 알 수 있다. 여기서 다시 전류, 자속의 방향을 이용하여 플레밍의 왼손법칙으로 힘의 작용방향을 구해보면 시계반대방향으로 작용한다. 즉 전동기 역할을 할 때의 회전자 회전방향과 반대방향으로 힘이 작용하여 브레이크역할을 하는 것이다.

  그런데 전기제동에는 제동을 잡을때 발전된 전기를 저항기 를 통해 열에너지 로 외부로 방출해 버리는 발전제동과 만들어진 전기를 전차선 으로 보내 인근에 운행중인 차량에 보내 사용하게 하는 소위 회생제동으로 나눈다. 더운 여름 1호선 전동차 를 타고 내릴때 차밑에서 후끈 뜨거운 공기가 올라와 짜증이 나는 것을 경험한 적이 있을텐데 이것이 바로 발전제동시 저항기에서 나온 열 때문이다.

  고속철도차량에서는 회생제동방식을 채택하여 에너지 소모를 줄이고 있는데 회생제동을 하려면 전동기에서 발전되 전기를 전차선의 전기와 성질이 같게 만들어야 하기 때문에 장치가 복잡하여진다.

  따라서 회생제동을 채택했을 경우의 에너지 절약량과 차량 및 지상측 시설비와 보수비를 합한 비용의 경제성 비교를 하여 발전제동으로 할 것이냐 회생제동으로 할 것이냐를 정하여야 한다.

  고속철도에서는 열차가 전기가 끊긴 절연구간에 있거나 전차선 전압이 제동시 발전기 역할을 하는 전동기에서 만들어진 전기의 전압보다 높다든지 또는 인근에 운행중인 차량이 없는 경우와 같이 회생된 전기를 보낼 수 없을 때는 자동적으로 발전제동으로 체인지하는 구조로 되어있다.

회생제동을 채택하는 곳은 전동차 운행구간처럼 열차가 금방 금방 뒤따라 오는 경우에 가장 효과적이라 할 수 있고 고속철도처럼 열차간의 간격이 긴 경우는 회생제동의 효과가 많이 떨어진다는 것도 말해둔다. 

전동기의 원리

<유도 전동기의 원리>

1......유도 전동기의 회전 원리는 Arago의 원판의 실험에서 발전하였다.

아래 그림과 같이 회전 가능한 도체 원판 위에서 자석의 N극을 시계 방향으로 회전시키면 상대적으로 원판은 자기장 사이를 반시계 방향으로 움직이는 것과 같다.

2......따라서 플레밍의 오른손 법칙에 따라 원판의 중심으로 향하는 기전력이 유도된다. 이 기전력은 마찬가지로 원판의 중앙으로 흐르는 맴돌이 전류를 만든다.

3......원판의 중앙으로 흐르는 맴돌이 전류는 자기장과 함께 플레밍의 왼손 법칙을 만족하게 되고, 이에 따라 원판은 시계 방향으로 회전한다.

즉, 원판은 자석이 회전하는 방향과 같은 방향으로 움직인다. 이 때, 원판은 자석보다는 빨리 회전할 수는 없다. 또한, 원판이 자석과 같은 속도로 회전한다면 원판이 자석의 자기장을 쇄교할 수(자를 수)없으므로 원판은 반드시 자석보다 늦게 회전한다.

※자석을 회전시키는 대신에 3상 교류로 회전자기장을 만들어 주면, 같은 원리로 원판은 회전한다.

전동기 기본원리

그림과 같이 자석의 N극과 S극에 의한 자기장이 존재하는 공간에 코일을 직사각형 모양으로 둔다.코일을 오른손의 엄지손가락이 가리키는 방향으로(반시계 방향) 회전 시키면 플레밍의 오른손 법칙에 의해 가운데 손가락이 가리키는 방향으로 전류가 흐른다.

<교류 발전의 원리>

아 래 그림과 같이 코일의 양 끝에 슬립링을 연결시킨다.

이때, 왼쪽의 코일 끝은 안쪽의 링에 연결하고 오른쪽 코일 끝은 바깥쪽의 링에 연결한다.두 링은 서로 접촉하지 않은 상태이고 코일을 회전 시키면 두 링은 각기 자기의 중심점을 기준으로 제자리 에서 회전 한다. 회전하는 두 링에 각각 브러시를 접촉시키면 기전력을 얻을 수 있다.

자기장이 존재하는 공간에서 코일을 회전시키면 전류가 발생하는데, 코일은 회전하면서 자석의 N극과 S극의 자리를 서로 번갈아 지나므로 발생하는 기전력은 교류가 된다.

이 때, 코일의 위치가 수평일 때에는 자기장의 방향과 코일이 움직이는 방향이 나란한 위치에 있으므로 기전력은 발생하지 않는다. 코일이 반시계 방향으로 회전하면 기전력은 점점 증가하고 90°가 되면 기전력이 가장 크게된다. 코일이 회전을 계속하여 180°가 되면 기전력은 다시 0이 된다.

코일이 회전하여 270°의 위치가 되었을 때 기전력은 최대가 되지만 코일의 위치가 N극에서 S극으로 바뀌었으므로 전류의 방향은 바뀌게 된다. 코일이 360°의 위치가 되면 기전력은 다시 0이되고 이러한 사이클이 계속 반복되어 위와 같은 정현파 교류가 발생하게 된다.

<직류 전동기의 원리>

자기장 중에 놓인 도체에 직류 전류를 흘리면 플레밍의 왼손법칙에 의해 도체에 전자력이 발생하여 회전하게된다.

직류 전동기는 속도제어가 용이하기 때문에 전철, 엘리베이터, 압연기 등과 같이 속도 조정이 필요한 경우에 널리 이용된다.

<전동기의 분류>

전동기는 크게 사용 전원에 따라 직류 전동기와 교류 전동기로 구분된다. 직류전동기는 직류 타여자 전동기와 직류 자여자 전동기(직류 분권 전동기, 직류 직권 전동기, 직류 복권 전동기)로 나누어지며, 교류 전동기는 유도전동기, 동기 전동기, 정류자 전동기로 나누어진다. 산업용으로 널리 사용되고 있는 유도 전동기는 단상 전원을 사용하는 단상유도 전동기와 3상전원을 사용하는 3상유도 전동기로 분류되며, 사용전압, 보호형식등에 분류된다.

코일에 그림1-2 와 같은 3상 교류를 흘리면 각 코일에 흐르는 전류는 시간 t가 변함에 따라 그림의 t 1 , t 2 , t 3 , …… 와 같이 변 화 하므로 코일에 의하여 만들어지는 합성자속은 그림1-3 와 같이 순차적으로 변하여 다시 말해 자장이 시계방향으로 회전하여 회전 자장이 생기게 된다. 좀더 자세히 회전자장이 생기는 원리를 살펴보자. ia , ib , i c 를 각각 aa' , bb ' ,cc' 에 흐르는 전류라 하면 그림1-3 의 그래프에서 t=t 1 일때의 ia 는 0보다 위쪽에 있으므로 + 극, 따라서 ia '는 - 극이고, i b , i c 는 0보다 아래에 위치하므로 - 극, 따라서 i b ‘ , i c '는 +극이 된다.

그림 1-2

  그러므로 ia , i b ' , i c' 를 + 글으로 ia ' , i b , i c 를 - 극으로 표시하여 + 전류는 바깥쪽에서 안쪽으로 흘러들어가고 - 전류는 안쪽에서 바깥쪽으로 흘러나오는 것을 각각 , ⊙ 표시로 나타내보면 앙페르의 오른나사의 법칙 ⁵⁾ 에 따라 그림1-3 의 첫 번째 그림처럼 자기장이 생긴다. 같은 방법으로 t=t 1 , t=t 2 , t=t 3 …… 일 때의 각각의 자기장을 구해보면 아래 그림1-3 처럼 변한다. 즉 전류의 흐르는 방향이 바뀜에 따라 N,S극 ⁶⁾ 도 순차적으로 시계방향으로 회전하며 바뀌는 것을 알 수 있다. 이렇게 하여 회전자장이 생긴 것이다. 즉 자석을 회전시키는 대신 자(기)장을 회전시켜 자석의 회전과 똑같은 효력이 나타나게 한 것이다.

또 그림1-2 에서 알 수 있는 것처럼 t 1 에서 t 7 까지는 교류 1사이클이므로 이 사이에 자장도 1회전한다. 그러므로 f 사이클의 교류로 만들어지는 회전자장의 회전수(회전속도)는 f [ rps ] (1초당 f회전)가 된다.

그리고 그림1-2 의 코일에서 생기는 회전자장은 그림 1-3 와 같은 2극의 자석이 회전할 때와 마찬가지이므로 이것을 2극의 회전자장이라 한다. 이것은 가장 간단한 2극의 경우이고 실제 동기전동기나 유도전동기를 만들 때는 코일의 감는 방법을 달리하여 극수를 4극 혹은 6극 등으로도 할 수 있음은 물론이다.

그림1-3 : 3 상 교류에 의한 회전자장

 1) 영구자석:실제 동기전동기에서는 영구자석을 사용하면 자력의 세기를 크게 할 수 없기 때문에 브러시→링→회전자로 전기를 보내주어 회전자가 강력한 전자석의 역할을 하도록 함으로써 전압의 세기를 변화시켜 전동기의 회전력을 자유롭게 조절할 수 있도록 해준다.

2) 회전속도가 느릴 때 큰 힘을 내고 속도가 빠를 때는 힘이 줄어드는 특성을 가지고 있어 출발시 많은 힘이 필요하고 일단 속도가 붙으면 힘이 덜 필요한 열차의 특성을 만족시키기 때문이다.

3) 동기전동기의 회전자에 전기공급:직류직권전동기의 회전자는 위치가 같으면 흐르는 전류를 방향도 같아야 하나 동기전동기의 회전자는 위치에 상관없이 언제나 같은 방향으로 전기가 흘러 마치 영구 자석과 같은 역할을 한다. 따라서 정류자 대신 링을 사용하여 전기공급이 이루어진다.

4) 아라고 원판:앞의 그림처럼 자석의 극성을 원판의 상측을 S극, 하측을 N극이라 할때 자석은 아래에서 위로 통과한다. 자석을 시계방향으로 회전시킨다고 하는 것은 자석을 고정시키고 원판을 시계방향과 반대로 회전시키는 것과 마찬가지다. 이때 원판에 생기는 기전력의 방향을 구해보면 플레밍의 오른속 법칙에 의해 원판의 중심에서 둘레쪽으로 흐름을 알 수 있다. 이 전류가 흐르는 방향과 자속의 방향으로부터 플레밍의 왼손법칙을 이용하여 원판의 회전방향을 구해보면 시계방향으로 자석의 회전방향과 같음을 알 수 있다.

5) 오른나사를 오른쪽으로 돌려주면 점점 깊이 박히듯 전류의 방향이 나사가 박히는 방향이라면 자력선은 오른쪽 회전방향으로 같음을 알 수 있다.

6) 자력선은 N극에서 나와 S극으로 흐르는데 자력선이 나오는 쪽을 N극, 들어가는 쪽을 S극으로 표시할 수 있다.

1.2 . 삼 상 동기 전동기

자극으로 되어 있는 회전자 주위에 자석을 회전시키면 흡인력에 의해서 회전자는 자석이 회전하는 속도와 같은 속도로 시계방향으로 회전한다.

자석을 회전 시키는 대신에 위의 그림처럼 3상 권선을 한 고정자의 안쪽에 회전자를 두면, 회전자는 고정자의 회전자기장의 속도와 같은 속도로 회전한다. 단, 정지하고 있는 동기 전동기는 자극이 무거워 회전자기장과 같은 속도로 회전할 수 없으므로, 처음에는 회전자를 동기 속도까지 회전시켜주는 기동 방법이 필요하다.

동기 전동기는 여자기를 필요로 하며 값이 비싸지만, 속도가 일정하고 역률 조정이 쉽기 때문에 정속도 대동력용으로 사용된다. 속도제어가 필요한 경우에는 주파수를 바꾸는 방법을 취한다.

출처 : 키꽁다리 길쭉길쭉