직류전동기는 왜 기동 순간 큰 전류가 흐르며 기동기가 필요한 이유는 무엇인가요?

Question

전기기기를 공부하다 보면 직류전동기는 기동 순간 매우 큰 전류가 흐르기 때문에 반드시 기동저항기를 사용해야 한다고 배우는데, 왜 정지 상태에서는 그렇게 큰 전류가 발생하는지 궁금합니다. 처음에는 전동기도 결국 하나의 부하인데 왜 시작할 때만 특별히 위험한 수준의 전류가 흐르는지도 잘 이해되지 않았습니다.

특히 역기전력이라는 개념이 중요한 것 같은데, 전동기가 회전하면 왜 반대 방향 전압이 발생하는지도 궁금합니다. 또 정지 상태에서는 역기전력이 0이라서 위험하다고 하는데 왜 회전 여부가 전류와 직접 연결되는지도 알고 싶습니다.

그리고 직류전동기는 속도가 올라갈수록 전류가 감소한다고 배우는데, 이것도 결국 역기전력 때문인지 궁금합니다. 실제 내부에서는 전기적 에너지와 기계적 회전이 어떤 방식으로 연결되는지도 알고 싶습니다.

또 기동저항기는 처음에만 사용하다가 나중에는 제거한다고 하는데 왜 처음에는 필요한 저항이 정상 운전에서는 오히려 불필요해지는지도 궁금합니다. 실제 산업현장에서는 어떤 방식으로 직류전동기 기동전류를 제한하는지도 알고 싶습니다.

결국 직류전동기에서 기동전류가 왜 위험한지, 그리고 역기전력과 전동기 회전은 어떤 관계를 가지는지 전기기기 관점에서 자세히 설명 부탁드립니다.

Answer 1

안녕하세요. 박현민 전기기능사입니다.

• 결론부터 말씀드리면 직류전동기는 정지 상태에서 역기전력이 존재하지 않기 때문에 매우 큰 전류가 흐를 수 있으며, 이를 제한하기 위해 기동저항기가 필요합니다. 직류전동기 전기자 권선은 저항이 매우 작습니다.

전동기가 회전 중일 때는 전기자 도체가 자속을 가로지르면서 유도전압이 발생합니다. 이 전압은 공급전압과 반대 방향으로 나타나기 때문에 역기전력이라고 부릅니다.

즉 정상 운전 상태에서는 공급전압 일부가 역기전력으로 상쇄되기 때문에 실제 전기자에 걸리는 전압이 줄어들고 전류도 적절한 수준으로 유지됩니다.

하지만 기동 순간에는 회전속도가 0이므로 역기전력도 발생하지 않습니다. 결과적으로 공급전압이 거의 그대로 작은 전기자 저항에 걸리게 되어 매우 큰 전류가 흐를 수 있습니다.

이 상태를 그대로 두면 권선 과열과 정류자 손상 위험이 발생할 수 있습니다. 그래서 기동 초기에는 외부 저항을 직렬로 넣어 전류를 제한합니다.

속도가 증가하면 역기전력도 커지기 때문에 전류가 자연스럽게 감소합니다. 그래서 정상 속도에 도달하면 기동저항은 제거해도 됩니다.

결국 직류전동기의 기동 문제는 단순 과전류 문제가 아니라 회전속도와 역기전력이 직접 연결된 전기기기 특성 때문입니다.

Answer 2

안녕하세요. 최정훈 전기기사입니다.

직류전동기는 정지했을 때 회전을 방해하는 역기전력이 0이라 전압이 회전자 저항에만 걸리면서 폭발적인 기동전류가 흐르게 돼요. 그래서 처음엔 기동저항기로 전류를 억제하다가 회전 속도가 붙어 역기전력이 충분히 커지면 저항을 서서히 제거하며 정상 운전을 한답니다. 기동 시 발생하는 과전류는 권선을 태울 수 있어 기동기가 필수적인데 산업현장애서는 전자 접촉기나 인버터 제어로 이를 안전하게 보호하고 있어요.