Presented by Byoung-Kuk Lee, Ph.D.

Energy Mechatronics Lab.

College of Information and Communication Eng.

Sungkyunkwan University

http://seml.skku.ac.kr

직류 전동기의 구성 및 상태별 특성

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직류 전동기의 구성 (I)

직류 전동기

- 장점 : 속도 제어가 쉬움, 속도 제어 범위가 넓음

- 단점 : 고속 응용에 부적합, 정기적인 유지보수 필요

1. 고정자의 계자 권선 (Field Winding)

2. 회전자의 전기자 권선 (Armature Winding)

3. 브러시 (Brush)

4. 정류자 (Commutator)

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직류 전동기의 구성 (II)

도체의 위치에 따라 전류의 방향을 바꿈

연속 회전

단점

- 기계적 마모

- 섬락현상 (Flash Over) ; 전류 방향 변동 시 불꽃 발생

- 정기적인 유지보수, 고속회전에 부적합

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직류 전동기의 모델링 (I)

1. 전기자 회로 2. 유기 기전력

전기자 단자에 인가한 전압의 분배 양상 표현

일반적인 경우 Brush 전압 무시 가능;

정상상태인 경우 무시 가능

저항 손실

자장이 형성된 곳에서 도체가 움직이면 기전력 발생

(움직이는 도체에 유기되는 기전력 )

(∵패러데이의 법칙(with 랜츠의 법칙))

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직류 전동기의 모델링 (II)

3. 회전력 4. 기계 시스템의 운동 방정식

Cf. 관성 모멘트

토크 발생을 위해서는 자계와 전류가 필요

전자기력의 공식에서 유도

정상 상태인 경우 무시 가능

(∵ 뉴턴의 역학 법칙 F=ma)

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직류 전동기의 모델링 정리

1. 전기자 회로 2. 유기 기전력

3. 회전력 4. 기계 시스템의 운동 방정식

Cf. 관성 모멘트

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직류 전동기의 정상상태 특성 (I)

직류 전동기의 속도 제어

: 전기자 전압 (Va), 계자자속 (øf)로 제어 가능

1. 정상상태 특징

dia/dt = 0 (전기자 전류 일정)

dwm/dt = 0 (Te=TL, 속도 일정)

브러시 전압 강하 (Vb), 마찰계수 (B) 무시

K = ke = kt

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직류 전동기의 정상상태 특성 (II)

직류 전동기 속도 (wm)

전기자 전압 (Va)에 따라 선형적으로 변동

: 정격속도 이하의 운전 영역에서 속도 제어에 사용

: 정격 이상의 고속 운전 영역

계자 자속 제어

2. 전기자 전압 제어

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직류 전동기의 정상상태 특성 (III)

1. 일정 토크 영역

: 어느 속도에서나 동일한 전기자 전류로 동일한 토크 얻음

: 계자 자속 일정, 출력 토크 Ia의 크기로 제어

: 일정속도 이하의 운전영역

2. 일정 출력 영역

: 인가 전압이 정격값에 도달 약계자 제어

: 속도가 증가하더라도 일정하게 전기자 전류가 흘러 토크 발생

: 감소된 계자 자속에 의해 토크 감소

3. 계자 자속 제어(약계자 제어)

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직류 전동기의 과도상태 특성 (I)

정상상태 특성 : 최종적인 속도

과도상태 특성 : 속도가 최종값에 도달하는 궤적

두개의 극점 존재 : 시스템의 과도 응답 특성 좌우

Ra, B가 클수록 : 극점이 허수축에서 멀어짐

: 시스템은 빠르고 안정적인 응답 특성

: 시스템의 진동 특성을 줄여주는 댐핑 요소

1. 세가지 응답 특성

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직류 전동기의 과도상태 특성 (II)

(마찰 토크를 부하 토크에 포함시켜 무시 (B=0))

2. 2차 응답 특성

VS.

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직류 전동기의 과도상태 특성 (III)

Tm ≥ 4Ta : 2개의 실근 ζ ≥ 1 임계감쇠, 과감쇠

Tm < 4Ta : 2개의 허근 ζ < 1 부족감쇠

3. 계자 자속 제어(약계자 제어)

J, Ra가 작은 Tm < Ta인 전동기 : ζ가 작게 되어 진동적인 속도 응답

J, Ra가 커 Tm > Ta인 전동기 : ζ가 크게 되어 진동하지 않는 안정된 속도 응답

Tm/Ta의 비는 소용량 전동기에서 크며 용량이 커질수록 작아짐

서보전동기, 대형전동기 : Tm < Ta이 되어 진동적인 속도 응답특성을 가짐