[전기기능사 필기 5편] 비전공자도 단기합격! 2과목 전기기기 핵심 기출문제: 직류기 완벽 정리

전기기능사 전기기기 직류기 핵심요약

안녕하세요. 티스토리 블로그를 통해 여러분의 전기기능사 합격을 돕고 있는 전기 달인입니다.

전기기능사 필기 단기 합격을 위한 17부작 시리즈의 다섯 번째 시간입니다. 지난 시간 변압기에 이어, 오늘 다룰 주제는 2과목 전기기기의 또 다른 핵심 축인 '직류기' 파트입니다.

직류기는 크게 직류를 만들어내는 '직류 발전기'와 직류 전기에너지를 회전 동력으로 바꾸는 '직류 전동기'로 나뉩니다. 이 파트에서는 직류기의 3대 구성 요소, 회전에 치명적인 영향을 주는 전기자 반작용, 그리고 전동기의 속도 제어법이 매회 빠지지 않고 출제됩니다. 오늘 엄선한 3개의 핵심 기출문제와 풀이를 통해 직류기 파트의 필수 개념을 확실하게 마스터하시기 바랍니다.

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1. 직류기의 3대 구성 요소 (발전기의 뼈대)

직류기는 복잡해 보이지만 뼈대를 이루는 3가지 핵심 부품만 알면 절반은 이해한 것입니다. 자기장을 만드는 곳, 전기를 유도하는 곳, 그리고 교류를 직류로 바꿔주는 곳의 명칭과 역할을 반드시 짝지어 암기하셔야 합니다.

• 계자 (Stator/Field): 자속(자기장)을 발생시키는 부분입니다.
• 전기자 (Armature): 계자의 자기장을 끊어 교류 기전력을 유도하는(전기를 만들어내는) 핵심 회전체입니다. 철심은 열손실(히스테리시스손, 와류손)을 줄이기 위해 규소강판을 얇게 겹쳐서(성층) 만듭니다.
• 정류자 (Commutator): 전기자에서 만들어진 '교류'를 우리가 원하는 '직류'로 변환해 주는 부품입니다. 브러시와 접촉하여 외부 회로로 전기를 뽑아냅니다.

[엄선 기출문제 1] Q. 직류발전기에서 브러시와 접촉하여 전기자 권선에 유도되는 교류 기전력을 정류해서 직류로 만드는 부분은?

1. 계자
2. 정류자
3. 슬립링
4. 전기자

정답: 2번 (정류자) 상세 해설: 문제의 지문 속에 이미 답을 알려주는 힌트가 들어있습니다. '교류를 정류해서 직류로 만드는 부분'을 묻고 있으므로 정답은 정류자입니다. 만약 문제에서 '자속을 발생시키는 부분'을 묻는다면 계자를, '기전력을 유도하는 부분'을 묻는다면 전기자를 선택하셔야 합니다. 이 3대 요소의 역할은 기능사뿐만 아니라 기사 시험에서도 기본으로 요구되는 지식이므로 반드시 숙지하십시오.

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2. 전기자 반작용과 방지 대책 (기기를 보호하라)

전기자에 전류가 흐르면 그 자체로도 새로운 자기장이 생겨납니다. 이 새로운 자기장이 원래 존재하던 주자속(계자가 만든 자기장)의 흐름을 방해하고 찌그러뜨리는 현상을 '전기자 반작용'이라고 부릅니다.

• 전기자 반작용의 악영향: 주자속이 감소하여 발전기의 기전력이 떨어집니다. 또한 전기적 중성축이 이동하게 되어 브러시 부분에 심한 불꽃(아크)이 발생하고 정류 불량의 원인이 됩니다.
• 방지 대책:
  • 보상 권선: 전기자 반작용을 상쇄시키기 위해 전기자 전류와 '반대 방향'으로 전류를 흘려보내는 권선을 설치합니다. 방지 대책 중 가장 효과적이고 확실한 방법입니다.
  • 보극: 브러시 부근에 작은 자극을 설치하여 불꽃 발생을 억제합니다.

[엄선 기출문제 2] Q. 직류기의 전기자 반작용의 영향에 대한 설명으로 틀린 것은?

1. 브러시 사이에 불꽃을 발생시킨다.
2. 주자속이 찌그러지거나 감소된다.
3. 전기자 전류에 의한 자속이 주자속에 영향을 준다.
4. 회전방향과 반대방향으로 자기적 중성축이 이동한다.

정답: 4번 (회전방향과 반대방향으로 자기적 중성축이 이동한다.) 상세 해설: 전기자 반작용이 일어나면 발전기의 경우 자기적 중성축이 '회전하는 방향'으로 이동합니다. (전동기의 경우는 회전 반대 방향으로 이동합니다). 따라서 발전기를 기준으로 회전 반대 방향으로 이동한다고 설명한 4번 보기는 틀린 설명입니다. 보기 1, 2, 3번은 전기자 반작용의 전형적인 악영향을 정확히 설명하고 있으므로 꼼꼼히 읽어두시기 바랍니다.

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3. 직류 전동기의 속도 제어 방법

산업 현장에서 직류 전동기를 사용하는 가장 큰 이유는 '속도 제어가 매우 쉽고 정밀하기 때문'입니다. 직류 전동기의 속도(N)를 제어하는 공식 N = (V - IₐRₐ) / (kΦ) 에 따라 크게 3가지 제어법이 존재합니다.

• 전압 제어: 인가되는 전압(V)을 조절합니다. 속도 제어 범위가 가장 넓고 정밀하며 효율이 좋아 엘리베이터나 압연기 등에 널리 쓰입니다. (워드 레오나드 방식, 일그너 방식)
• 계자 제어: 자속(Φ)을 조절합니다. 정출력 제어라고도 불리며, 계자 저항기를 이용해 자속을 줄이면 속도가 빨라지는 원리를 이용합니다.
• 저항 제어: 전기자 회로의 저항(Rₐ)을 조절합니다. 구조가 간단하지만 저항에서 열 손실이 크게 발생하여 효율이 가장 떨어지므로 최근에는 잘 쓰이지 않습니다.

[엄선 기출문제 3] Q. 직류 전동기의 속도 제어 방법이 아닌 것은?

1. 전압 제어
2. 계자 제어
3. 저항 제어
4. 플러깅 제어

정답: 4번 (플러깅 제어) 상세 해설: 직류 전동기의 3대 속도 제어 방식은 '전압 제어', '계자 제어', '저항 제어'입니다. 앞 글자를 따서 '전-계-저'로 암기하시면 편리합니다. 보기 4번의 '플러깅(역상 제동)'은 속도를 제어하는 방법이 아니라, 회전 중인 전동기를 급격하게 멈추게 할 때 사용하는 '제동(브레이크)' 방법의 일종입니다. 제어법과 제동법을 혼동하지 않도록 주의하십시오.

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1분 마무리 요약 노트

1. 직류기의 3대 요소: 자기장을 만드는 '계자', 전기를 유도하는 '전기자', 교류를 직류로 변환하는 '정류자'로 구성됩니다.
2. 전기자 반작용: 주자속을 감소시키고 불꽃을 유발하는 악질적인 현상입니다. 이를 막기 위한 최고의 해결책은 '보상 권선'을 설치하는 것입니다.
3. 속도 제어법: '전압 제어(광범위/고효율)', '계자 제어(정출력)', '저항 제어(저효율)' 3가지가 있으며, 시험에서는 이 3가지에 속하지 않는 오답을 고르는 문제가 주로 출제됩니다.

오늘 다룬 직류기의 구조와 반작용, 제어법은 전기기기 과목에서 높은 득점을 올리기 위한 필수 관문입니다. 이론을 무작정 외우기보다 각 부품이 현장에서 어떤 역할을 하는지 상상하며 기출문제를 반복해 풀어보시길 권장합니다.

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오늘의 포스팅이 여러분의 단기 합격에 든든한 밑거름이 되기를 바랍니다. 문제 풀이 중 막히는 수식이나 헷갈리는 개념이 있으시다면 언제든 댓글로 남겨주십시오. 전기 달인이 가장 빠르고 명쾌하게 해답을 드리겠습니다.