강의노트 직류기의 제동

직류 전동기의 제동

• 대형 전동기로 관성이 큰 부하를 구동할 때는 정지하기까지 수십분 이상 걸리는 경우도 드물지 않다.
• 운동에너지를 브레이크의 마찰열로 소모시키는 대신 전동기를 발전기로 동작시켜 기계적 운동에너지를 전기적에너지로 회수함으로써 제동시간을 단축시킬 수 있다.

마찰제동

• 회전하고 있는 운동에너지를 열에너지로 바꾸어 소비
• 회전 부분에 브레이크 저항을 눌러 기계적 마찰을 이용한 제동
• 고속에서는 전기 제동을 하고 저속이 되고나서 마찰 제동을 실시함

발전제동

• 회전하고 있는 운동에너지를
• 전기자를 전원에서 분리시킨 후 외부 저항기를 접속하여 브레이크 저항에서 열로 소비하는 것
• 전기자는 기계적 운동에너지를 흡수하면서 발전기로 동작하고, 발전된 에너지는 제동저항에서 열로 소모된다.
• 최대 제동효과를 얻기 위해 제동 초기 전류가 전동기가 감당할 수 있는 최대 전류가 되게 제동저항값을 정하며, 통상 정격전류의 2배 정도로 한다.
• 제동 초기 소모전력은 전동기 정격출력의 2배, 제동토크도 정격토크의 2배가 된다.
• 기전력이 하락하면 제동저항의 소모전력($\dfrac{E_a^2}{R}$)이 줄어들면서 제동효과도 떨어진다.
• $E_a$가 속도에 비례하므로 소모전력이 속도의 제곱에 비례하고 운동에너지 ($W = \dfrac{J \omega^2}{2}$)에 비례

회생제동

• 회전하고 있는 운동에너지를 전원에 반환
• 역기전력 를 전원 전압보다 높아지는 만듬
  • 전동기는 발전기로서 동작
  • 전동기 측에서 전원측에 전류가 유입
  • 전동기에 제동이 걸림
• 부하에서는회수된 에너지를 전원측으로 반환시킴으로써 운전효율을 높이는 방법이 사용된다.
• 전동기는 발전기로서 동작하면서 기계적 에너지가 흡수되고 전동기의 내부 손실을 제외한 에너지가 전원으로 반환된다.
• 전기 기관차에서 사용되고 있음

능동적 부하의 회생제동

• 유기기전력이 전원전압보다 높아지는 경우 전동기의 회전에 저항하던 부하토크가 전동기의 회전방향으로 작용하게 되었을 때 일어난다.
• 전동기로 동작하는 상태에서 부하토크의 방향이 반전되어 회전방향으로 가해진다면 전동기 속도가 무부하속도 $\omega_0$ 이상으로 상승하여 기전력이 전원전압보다 높아지고, 전류 방향이 반전된다.
• 토크가 회전반대 방향으로 유기되므로 기계적 에너지를 흡수하여 전원측으로 전달하는 발전기 동작상태가 된다.
• 토크가 항상 회전 반대방향으로만 작용하는 수동적 부하에서는 일어날 수 없고,
• 부하는 직류발전기에 기계적 에너지를 공급하는 원동기의 역할을 하게 되며 '제동'이란 전동기를 정지시키는 동작이라기보다는 속도가 어느 이상으로 상승하지 못하게 억제한다는 의미를 갖는다

역전제동(플러깅)

• 운전 중인 전동기가 역전되도록 접속을 전환
• 전압이 역전되면 전류가 반대로 흐르고, 따라서 반대 방향으로 토크가 유기되어 제동이 이루어진다.
• 역전제동은 발전기로서 동작하면서 기계적 에너지를 흡수한다는 점에서 발전제동과 같지만 속도가 떨어져 기전력이 하락하더라도 전원전압에 의해 계속 전류가 흐르면서 제동토크가 유지되므로 더 빠른 제동이 이루어진다. 전원전압이 반전되면 두 전압이 더해져 정격의 거의 2배 전압을 가하여 기동하는 것이다.
• 정격전류의 수십 배가 흐를 수 있으므로 반드시 전류제한 저항을 삽입해야 한다. 제동저항은 플러깅 초기 전류가 정격전류의 2배 정도가 되게 설정해야한다.
• 역 방향으로 회전하기 직전에 전동기를 전원에서 분리해야 한다.
• 기계적 마찰에 의하여 제동한다.
• 그 과정에서 전원으로부터 계속 전력이 공급된다.
• 역전제동은 비교적 간단한 방식을 써서 급속히 제동해야할 경우에만 적용된다.