빅초이의 자본주의생존기

직류 전동기와 발전기의 기본 원리

• 발전기는 전기를 생성하는 장치이며, 전동기는 전기를 소비하여 기계적 동력을 생성하는 장치이다.
• 역기전력은 전동기에서 전기를 소비할 때 발생하는 전압으로, 유도 전동기에서는 중요한 개념이다.

역기전력 공식

전동기에서 역기전력의 크기를 구하는 일반적인 공식은 다음과 같다:

여기서,

• ( Eb ) : 역기전력 (V)
• ( Φ ) : 자속 (Wb)
• ( A ) : 전기자의 병렬 회로수
• ( P ) : 극수
• ( Z ) : 도체 수
• ( N ) : 분당회전수 (RPM)

또는 다른 표현으로:

시중에 나오는 모터의 경우 극수, 도체수, 병렬 회로수는 정해져 있는 경우가 많기 때문에 k는 상수로 표현하기도 한다.

k의 경우 첫번째 공식에서 분자에서 N과 Φ 자속을 제외한 나머지 부분으로 한다.

직류 전동기의 회전 원리

• 플레밍의 법칙에 따라 전동기의 , 전류, 자속 등의 방향을 알 수 있다.
  • 오른손 법칙: 발전기
  • 왼손 법칙: 전동기 -> 엄지 : 힘, 중지 : 전류, 검지 : 자속

* 직류 전동기 회전 속도 구하는 공식

속도 제어법

1. 전압 제어법: 단자 전압(V)을 조절하여 속도를 제어하는 방법이다. 가장 널리 사용된다.
2. 계자 제어법: 계자(자속)를 조절하여 속도를 제어하는 방법이다. 정출력 제어로 불리며, 자속이 감소하면 속도가 증가한다.
3. 저항 제어법: 저항(R)을 조절하여 속도를 제어하는 방법이다. 효율이 낮아 많이 사용되지 않는다.

제동 방법

1. 발전 제동: 전기를 끊어 관성으로 발생하는 에너지를 저항을 통해 소비한다.
2. 회생 제동: 생성된 전기를 다시 저장하거나 사용한다.
3. 역상 제동(플러깅): 전압의 극성을 반대로 걸어 급격히 정지시킨다.

토크

• 토크는 회전력을 의미하며, 전동기의 출력과 속도에 의해 결정된다.
• 기동 토크: 전동기가 초기 상태에서 필요한 큰 힘으로, 크레인 등 무거운 장비에 사용된다.

* 토크 구하는 공식

직권 전동기와 분권 전동기

• 직권 전동기: 계좌와 전기자가 직렬로 연결되어 힘이 세지만, 무부하 운전을 하면 속도가 너무 높아질 위험이 있다.
• 분권 전동기: 계좌와 전기자가 병렬로 연결되어 일정한 속도를 유지한다.

효율

• 실측 효율: 입력에 대한 출력의 비율로, 입력 분의 출력이다.
• 규약 효율: 전동기의 경우 입력을 두 번 사용하고, 발전기의 경우 출력을 두 번 사용하여 계산한다.

주요 문제 풀이

1. 직류 전동기의 속도 제어 방법
   • 전압 제어법, 계좌 제어법, 저항 제어법
2. 제동 방법
   • 발전 제동, 회생 제동, 역상 제동
3. 토크 계산
   • 토크 = 출력 / 속도

직류 전동기의 속도와 토크 특성

• 속도와 토크는 직류 전동기의 중요한 특성으로, 다양한 제어 방법과 제동 방법이 존재한다.
• 각 제어 방법과 제동 방법은 전동기의 용도와 상황에 따라 선택된다.

전기기기의 종류

전기기능사 필기를 준비하면서 알아둬야 하는 전기기기는 크게 다섯 가지로 나눌 수 있다:

1. 직류기 (Dynamo): 직류로 작동하는 기계로, 직류 발전기와 직류 전동기가 있다.
2. 변압기 (Transformer): 교류 전압을 변환하는 장치로, 전압을 올리거나 내릴 수 있다.
3. 유도기 (Induction Machine): 교류 전동기로, 단상 유도기와 삼상 유도기가 있다.
4. 동기기 (Synchronous Machine): 교류 발전기로, 동기 속도로 회전하는 기계이다.
5. 정류기 (Rectifier): 전력 변환 장치로, 직류를 교류로, 교류를 직류로 변환할 수 있다.

직류기의 구조와 작동 원리

직류기 내부에는 N극과 S극의 자석이 있고, 그 사이에 도체가 놓여 있다. 도체가 회전하면 자속이 끊어지면서 유도기전력이 발생한다. 플레밍의 오른손 법칙에 따라 유도기전력이 발생하며, 이 전압이 직류로 변환된다.

유도기전력

직류 발전기에서 유도기전력은 다음 식으로 구할 수 있다:

• ( P ): 극수 (짝수로 이루어짐, 예: 2극, 4극)
• ( Z ): 총 도체 수
• ( Φ ): 자속
• ( N ): 회전수 (분당 회전수, RPM)
• ( A ): 병렬 회로 수 (*파권: 2, 중권: 극수와 동일)

직류기의 구성 요소

1. 계자 (Field): 자속을 생성하는 부분으로, 자석의 역할을 한다.
2. 전기자 (Armature): 자속을 끊으며 전기를 생성하는 부분으로, 도체가 회전한다.
3. 정류자 (Commutator): 교류를 직류로 변환하는 부분으로, 전류의 방향을 일정하게 유지한다.
4. 브러시 (Brush): 전기자와 외부 회로를 연결하는 부분으로, 탄소 브러시가 사용된다.

전기자 권선법

• 환상권: 코일을 안팎으로 감는 방법
• 고상권: 코일을 바깥에만 감는 방법

중권과 파권

• 중권 (Lap Winding): 병렬 회로 수가 극수와 같다. 전압이 낮고 전류가 큰 경우 유리하다.
• 파권 (Wave Winding): 병렬 회로 수가 2이다. 전류가 작고 전압이 큰 경우 유리하다.

비교표

중권과 파권의 차이점

• 중권 (Lap Winding)
  • 병렬회로수는 극수와 동일하다.
  • 브러쉬 수도 극수와 동일하다.
  • 주로 저전압 대전류용으로 사용되며, 4극 이상의 경우에 많이 사용된다.
  • 균압환이 필요하다.
• 파권 (Wave Winding)
  • 병렬회로수는 2이다.
  • 브러시 수도 2이다.
  • 주로 고전압 소전류용으로 사용된다.
  • 균압환이 불필요하다.

기출문제에 나오는 내용 정리

1. 직류기의 주요 구성 요소: 계자, 전기자, 정류자
2. 전기자 권선: 철심과 구리 권선으로 이루어짐
3. 브러시의 역할: 전기자 권선과 외부 회로를 전기적으로 접속
4. 계자의 역할: 자속 생성
5. 병렬 회로 수: 파권일 때 2, 중권일 때 극수와 동일
6. 직류기의 주요 구성 요소가 아닌 것: 보극
7. 직류 발전기 전기자의 구성: 권선과 철심
8. 브러시의 역할: 전기자 권선과 외부 회로 접속
9. 계자의 역할: 자속 생성
10. 파권의 병렬 회로 수: 2
11. 중권의 병렬 회로 수: 극수와 동일

내 나이 36살이 되는 2024년은 아버지와 고물상을 시작한 지 10년 차가 되는 해이다. 이 일을 하면서 가장 큰 걱정 중 하나가 '하다가 망하면 어쩌지'였는데... 최악의 경기를 이겨내지 못하고 나는 떠나기로 결심했다. 자영업자 대부분이 5~8년을 넘기지 못한다는 말이 괜히 있는 말이 아닌 거 같다.

그럼에도 불구하고 지금까지는 참 감사하게도 운이 좋았다. 10년 동안 망할 위기 없이 아이를 둘이나 키웠고, 온 가족이 달라붙어 먹고 싶은 거 먹으며 배불리 살았다. 내 집 마련까지 했으니(지금은 없지만) 자영업자로써 경험해 볼 수 있는 감사한 일들을 많이 해본 셈이다.

이제는 위기다. 더 이상 모두가 붙어 있을만큼의 돈을 벌 수가 없다. 고물상은 경기를 정말 심하게 탄다. 특히 제조업. 굳이 통계를 내보지 않아도 내가 있는 산업단지의 제조업체들은 모두 망해가고 있다. 잘 나가던 제조업체들도 매출이 반토막 나기 일쑤고, 처음부터 큰 경쟁력이 없었던 쪼끄만 회사들은 이미 문을 닫았다.

그들이 만든 제품의 부산물을 매입하며 살아가는 고물장수는 이 흐름을 이겨낼 방도가 딱히 떠오르지 않았다. 막연하게 버티기에는 내 나이도 곧 40이고, 이러다 망하면 할 수 있는 게 없을 거 같았다. 불안감은 나를 움직이게 만들었고, 노가다판에서 전기를 배워보아야겠다는 마음을 먹게 했다.

전기를 배워봐야겠다는 생각은 깊은 고민에서 나온 결론은 아니었다. 친척분이 전기 쪽 현장에서 오래 근무를 하고 계셨었고, 일을 좀 배울 수 있냐고 허락을 구했고, 바로 OK사인이 떨어졌다. 이 것 역시 참 감사한 부분이 아닐 수 없다. 친척이 아니었다면 생판 모르는 남에게서 싫은 소리 들어가며 배우지 않았을까...

어찌 됐든 10년 차 고물장수의 생활을 끝내고, 새로 뭔가를 배운다는 사실이 설레기도 한다. 동시에 두렵다. 동네 구멍가게로 사장이었고, 위에는 아버지 하나뿐이었다. 이제는 나이를 떠나 내가 가장 초보이고, 배워야 하는 입장이기 때문에 남밑에서 잘할 수 있을까 하는 걱정도 있다. 그래도 어쩌겠는가! 모두를 선생님이라고 생각하고 배우는 수밖에 없다.