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DC 모터가 감압 기동을 채택해야 하는 핵심 이유는 기동 시 전기적 특성과 기계적 특성의 불일치에 있습니다. 기동 초기에는 역기전력(Ea)이 0이므로, 전전압으로 기동할 때 기동 전류가 정격을 크게 초과하게 됩니다. 이는 모터 손상 및 회로 고장과 같은 일련의 문제를 야기합니다. 감압 기동은 기동 전압을 낮춰 과전류를 억제하여 시스템의 안전성을 보장합니다. 자세한 내용은 기동 전류의 발생 메커니즘, 전전압 기동의 위험성, 그리고 감압 기동 원리의 세 가지 측면에서 설명할 수 있습니다.
우선, 직류 전동기의 시동 전류가 비정상적으로 증가하는 것은 "역기전력 부족"이라는 핵심 특성에서 비롯됩니다. 직류 전동기 전기자 회로의 전압 평형 방정식에 따르면: U = Ea + IaRa, 여기서 U는 전기자에 인가된 전압, Ea는 전기자 회전에 의해 발생하는 역기전력, Ia는 전기자 전류, Ra는 전기자 권선 저항입니다. 전동기가 시동하는 순간, 회전자는 정지 상태에 있고 전기자 도체는 자기장을 차단하지 않으므로 역기전력 Ea = 0입니다. 이때 회로 방정식은 Ia = U/Ra로 단순화됩니다. 전기자 권선은 구리선으로 만들어졌기 때문에 저항 Ra는 일반적으로 매우 작습니다(소형 직류 전동기의 Ra는 몇 옴에 불과하고 대형 전동기의 Ra는 1옴 미만입니다). 정격 전압 U를 직접 인가하면 시동 전류 Ia가 급격히 증가하여 일반적으로 정격 전류의 10~20배에 이릅니다. 예를 들어, 정격 전압이 220V이고 전기자 저항이 1Ω인 DC 모터는 최대 전압으로 시동할 때 순간 전류가 220A일 수 있지만, 정격 전류는 15A에 불과할 수 있으며 전류 증폭 계수는 안전 범위를 훨씬 넘어섭니다.
둘째, 이처럼 매우 큰 기동 전류는 모터 자체와 전원 공급 시스템에 여러 가지 치명적인 위험을 초래합니다. 모터의 경우, 과도한 전류는 전기자 권선에 엄청난 전기력을 발생시킵니다. 암페어력 공식에 따르면, 전기력은 전류의 제곱에 비례합니다. 정격 전류의 10배의 전류는 정격 값의 100배의 전기력을 발생시키며, 이로 인해 권선이 변형되고 절연층이 파손되어 권선 간 단락이 발생하기 쉽습니다. 반면, 짧은 시간 내에 급격히 증가하는 전류는 권선에 많은 줄 열을 발생시켜 온도가 급격히 상승하고 절연 재료의 내열 한계를 초과하여 절연 노화 또는 소손을 초래할 수 있습니다. 전원 공급 시스템의 경우, 매우 큰 기동 전류는 계통 전압을 급격히 떨어뜨려 "전압 쇼크"를 유발하여 동일 계통 내 다른 장비의 정상적인 작동에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 조명이 어두워지고 정밀 기기가 제어 불능 상태가 될 수 있습니다. 동시에 큰 전류는 스위치와 접촉기와 같은 제어 구성 요소에 강한 전기 아크를 발생시켜 접점의 마모를 가속화하고 심지어 단락 고장을 일으킬 수도 있습니다.
감전압 시동은 "초기 시동 전압을 인위적으로 낮춰" 전원에서 시동 전류를 억제하고 모터 속도가 증가한 후 정격 전압으로 점진적으로 복원하여 모터의 시동 특성과 완벽하게 일치합니다. 핵심 논리는 시동 초기에 U를 줄이는 것입니다. Ea = 0이더라도 Ia = U/Ra를 안전한 범위(일반적으로 정격 전류의 1.5~2.5배) 내에서 제어할 수 있습니다. 모터 속도 n이 증가함에 따라 Ea는 n에 비례하여 증가합니다. 이때 U는 점진적으로 증가하여 적절한 시동 토크에 해당하는 전류 값에서 Ia를 유지합니다. 모터가 정격 속도에 도달할 때까지 Ea는 정격 역기전력에서 안정됩니다. 이때 U는 정격 값까지 증가하고 모터는 정상 작동에 들어갑니다.
실제 응용 분야에서는 감전압 기동을 구현하는 다양한 방법이 있습니다. 소형 DC 모터는 종종 "직렬 저항 전압 감소"를 사용하는데, 이는 전기자 회로에 가변 저항을 연결하여 전압을 분배하고 기동 후 저항을 점진적으로 차단하는 방식입니다. 대형 DC 모터는 대부분 "사이리스터 전압 조정"을 사용하는데, 이는 사이리스터의 도통각을 조정하여 출력 전압을 정확하게 제어하여 원활한 기동을 보장합니다. 이러한 방식은 전전압 기동의 위험을 방지할 뿐만 아니라 모터 기동에 필요한 토크를 보장하여 산업 생산, 운송 및 기타 분야에서 DC 모터의 적용을 더욱 안전하고 신뢰성 있게 만듭니다.
요약하자면, DC 모터의 감전압 기동은 "불필요한 동작"이 아니라 전기 원리에 기반한 필수적인 보호 조치입니다. 핵심은 전압 조정을 통해 기동 전류와 토크 사이의 균형을 맞추는 것입니다. 이는 모터 자체를 보호할 뿐만 아니라 전원 공급 시스템의 안정성을 보장합니다. 이는 DC 모터의 안전한 작동을 위한 핵심 연결 고리입니다.
