글로벌 세계 대백과사전/기술·통신/동력기술/동 력 기 술/전동기와 정류기기

전류에 의한 힘과 전동기

전자석

電磁石

전류가 흐르는 도선에는 외르스테드(H. C. Oersted, 1777∼1851)의 실험으로 나타난 것처럼 작은 자석을 끌어 당기는 힘이 있다. 그것은 전류의 주위에 자계가 생기기 때문이다. 도선을 코일 모양으로 감으면 전류의 효과가 늘고 전자석이 된다. 코일 속에 철심(鐵心)을 넣으면 자속(磁束)이 강해져서 전자석의 힘이 는다. 전자석은 철편을 끌어당기므로 철편에다 용수철을 달고 코일에 흐르는 전류(이것을 여자전류라 한다)를 단속(斷續)시키면 이 철편을 왕복운동시킬 수 있다. 이것을 이용한 장치는 버저(buzzer)나 벨, 그 밖에 자동제어 등에 쓰이는 전자판(電磁瓣) 등이 있다. 코일에 큰 전류를 통하면 커다란 쇳덩어리도 달아올릴 수 있는 힘이 생긴다. 이것이 전자기중기(電磁起重機)이다.

그러나 전자석은 전력을 왕복운동의 동력으로 바꾸는 것으로서 일반 동력원으로 사용하기에는 불편한 경우가 많다.

전동기

電動機

전기 기계의 에너지 변환에 널리 쓰이는 것은 바로 회전운동의 힘으로 전력을 이용하는 전동기이다.

이 전동기의 축에 기계적 부하(이 회전력에 의해 작용하는 각종 기계)를 연결하여 운전하며, 전동기의 크기는 보통 전력단위(㎾), 또는 마력(HP, 1마력＝0.75㎾)으로 표시한다.

전류에서 회전력(torque)을 끌어내는 원리는 "자계 속을 흐르는 전류에는 자기력(磁氣力)이 작용한다"라는 것이며, 이 자기력의 방향은 자계(磁界)와 전류 방향에 직각이 된다. 이 관계는 플레밍(Fleming)의 왼손 법칙(〔그림〕－1 a)으로 표시된다. 실제의 방법으로는 다음 두가지가 있다.

첫째 방법은, 자계에 직각으로 코일을 놓고 전류를 흐르게 하는 것이다. 코일의 양쪽을 흐르는 전류가 반대 방향으로 흘러 토크(torque)가 발생하므로(〔그림〕－1 b) 이것을 연속적으로 끌어낸다(직류전동기 등).

둘째 방법은 변화하는 자계 속에 도체를 두었을 때 전자유도(電子誘導)의 법칙에 따라 도체에 전류가 흘러 먼저와 같은 원리로 토크가 발생하는 것을 이용하는 것이다(유도전동기). 두가지 중 어느 쪽이나 발생하는 힘은 자속(磁束)의 밀도와 전류의 곱(積)에 비례한다.

전동기에서 동력을 끌어내는 방법은 이처럼 매우 간단한 것으로, 그것은 발전기의 원리인 것의 반대로 되어 있다. 실제로 전동기는 1873년의 빈의 박람회에서 정지하고 있는 발전기(그람의 발전기, 〔그림〕－2)의 전류를 끌어내는 단자(端子)에 전류가 흐르는 도선을 잘못 연결했다가 이 발전기가 돌아간 사실을 계기로 개발된 것이다.

전동기는 아래와 같이 목적에 따라 여러 가지 성질의 동력 장치를 만들 수 있고, 그 성능도 안정성이 있어 다른 원동기에 비해 가볍고 소형이다. 또 고장도 적고 보수(保守：그 성능을 지키는 것)도 간단하다. 그리고 전력은 전선을 가설할 수 있는 곳에는 수송이 가능하며, 필요한 양을 끌어내어 사용할 수 있는 이점이 있다. 그런 까닭에 예컨대 증기기관차는 전차(電車)로 바뀌고 배기가스가 없는 이점으로 지하철(地下鐵)도 개발되었다. 그리고 가정 전화(電化) 제품으로 쓰여 가사의 방법들을 일변시키게 되었다. 또 소형이고 간단히 장치할 수 있을 뿐 아니라 고속으로 회전하며 또 안정성이 있어 고성능 기계를 만들 수 있게 되어 생산의 기계화나 기계의 자동화와 오토메이션(automation)을 촉진시켰다.

이런 이유로 이제는 석탄이나 석유, 원자력(原子力)으로서 공급되는 1차에너지의 대다수는 일단 전기에너지로 바뀐 다음 급전망(給電網)을 통해서 공장이나 가정으로 배전되며 거기서 필요한 형태의 동력으로 변환되고 있다.

전동기의 종류와 사용법

( 電動機－種類－使用法)    전동기는 사용하는 전원(電源)에 따라 직류전동기와 교류전동기로 나눈다. 공장이나 가정에서 일반적으로 사용하는 전동기는 배전선을 그대로 전원으로 하는 교류전동기이다. 교류전동기에도 각각 3(三相)과 단상(單相)으로 된 것(특수한 것은 2상)이 있다.직류 전원으로는 전지(battery)나 정류기(整流器)·직류발전기 등이 있다. 그 밖에 직류 전원·교류 전원의 두가지를 다 사용할 수 있는 교직(交直) 양용 전동기도 있다.기계가 눈부시게 발달하여 복잡하게 됨에 따라 온갖 특징을 가진 동력원을 요구하게 되고, 그 결과 전동기에도 여러 가지 타입으로 만들어졌다(〔표〕－1). 그 중에서는 계기용(計器用)의 수 ㎽의 소형에서 10만㎾가 넘는 대형까지 있다.전동기를 사용하는 방법도 차차 달라졌다. 최초에는 증기기관 대신에 1대의 전동기를 설치하고 그 동력으로 공장 전체가 이용하는 이른바 집합운전(集合運轉) 방식이 취해졌다. 이 방식으로는 공장의 중심을 통하는 긴 축(軸)을 전동기로 돌려 그 축에서 각 기계에 벨트(belt)로 동력을 공급한다. 따라서 전동기의 적지 않은 동력이 헛되이 소모되며, 작업이 까다롭고 기계를 사용하는 장소도 제한을 받는다. 그래서 후에는 거의 모든 기계마다 1대씩의 전동기를 설치하는 단독운전(單獨運轉) 방식으로 개량되었다.기계가 더욱 복잡하게 되어 여러 가지 성질의 동력이 1대의 기계 안에 필요하게 되자, 1대의 전동기에서 모든 동력을 끌어내어 그것을 복잡한 동력전달 장치로 전달하면 성능도 안정성이 없고 능률도 나쁘다. 그래서 기계의 각 부분에 여러 가지 전동기를 1대의 기계 안에 장치하게 되었다. 그런 결과 기계의 각 부분을 독립적으로 제어(制御)하거나 자동적으로 제어하기가 쉽게 되었다. 이것이 복합운전(複合運轉)이다.그 밖에 1대의 기계 안에 같은 성질의 전동기 몇 개를 직렬(直列) 또는 병렬(竝列)로 사용하는 경우도 있다. 이를테면 각 차량에 전동기를 장치한 전차의 경우와 같다.
 

〔표〕-1  주요한 전동기의 종류
직  류  전  동  기	교  류  전  동  기
a) 직류분권전동기 b) 직류직권전동기 c) 직류복권전동기	a) 동기전동기(3상)   b) 유도전동기(3상：단상：2상)   c) 교류정류자전동기(3상：단상)

전동기의 특성

電動機－特性

속도와 토크

速度－torque

부하(負荷)를 구동시키는 데 필요한 토크(回轉力)는 부하의 속도에 따라서 달라진다. 예컨대 팬(fan)이나 송풍기(blower), 압축기, 펌프 같은 유체(流體)를 구동하는 기계 토크가 속도의 제곱에 비례한다. 그러므로 돌기 시작할 때에는 토크가 거의 필요치 않으나, 속도가 늘어남에 따라서 토크가 현저히 필요하게 된다. 이에 대해 달아 올리는 기계나 기중기(起重機)·각종 압연(壓延)롤러 등은 속도가 변화해도 토크가 그다지 변하지 않는 성질(정토크특성)을 가지고 있다. 이러한 속도와 토크의 관계를 부하의 속도－토크 특성이라 한다.

한편, 전동기가 내는 토크는 부하가 필요로 하는 토크에 따라 변동한다. 그러나 토크가 변동할 때에는 전동기의 속도(速度)도 변하는 것이 보통이다. 브레이크(brake)를 걸면 전동기가 멎어 버리는 것도 이에 대한 보기이다. 토크의 변화에 따른 전동기의 속도 변화방법은 전동기의 속도－토크 특성이라 부르며 다음 두가지가 있다.

⑴ 정속도특성(定速度特性) ― 토크가 변화해도 속도가 그다지 변화하지 않는 것. 분권특성(分卷特性)이라고도 한다. 시동시의 토크가 그다지 크지 않은 부하에 적당한다.

⑵ 변속도특성(變速度特性) ― 토크가 클 때는 속도가 현저하게 줄고, 토크가 작아짐에 따라 속도가 늘어나는 것. 직권특성(直卷特性)이라고도 한다. 시동할 때에 상당히 큰 토크가 필요한 부하에 소요된다. 무부하 운전(無負荷運轉) 때는 속도가 현저히 증가하므로 사용할 수 없다.

전동기에서 가장 소중한 것은 각 회전 속도에 대한 부하의 관계이다. 부하의 속도－토크특성과 전동기의 속도－토크특성을 맞추어 보고 비로소 그 전동기의 운전이 안정한지 불안정한지를 알 수 있는 것이다.

효율과 손실

效率－損失

전동기에 주어진 전력(입력)과 부하에 연결된 동력(출력)의 비를 효율(效率)이라고 하며 흔히 백분율(%)로 표시한다. 효율은 부하에 따라 변동한다. 그 전동기에 정격부하(定格負荷)를 걸었을 때의 효율을 특히 전부하 효율(全負荷效率)이라 한다.

외부로부터 공급된 에너지의 일부는 전동기 내부에서 열에너지로서 소비된다. 이렇게 소비된 에너지가 '손실(損失)'이다.

손실에는 동선(銅線) 부분에 전류가 흐를 때의 저항에 의한 손실(銅損), 자속을 세게 하기 위해 쓰이는 철심과 그 밖에 철로 된 부분에서의 손실(鐵損), 브러시나 축(軸)받이·공기 등의 마찰로 인한 손실(機械損)이 있다.

철손에는 자속이 변화하기 위한 히스테리시스손(hysteresis 損)과 유도전류에 의한 와전류손(渦電流損)이 있다. 와전류손을 적게 하기 위해 철심에는 보통 얇은 실리콘강판(silicon 鋼板, 두께 0.35∼0.5mm)을 절연시켜서 겹친 것(成層鐵心)이 쓰인다. 손실이 크면 전동기는 과열되어 절연물이 열화(劣化)해서 수명이 짧아진다.

전동기를 얼마든지 크게 할 수 없는 것은 주로 이 온도 상승 때문인 것이다. 전동기 고장의 대다수는 과열로 인한 절연 파괴인데, 이를 방지하기 위해서 내열성(耐熱性)이 높은 절연 재료를 쓰거나 냉각장치를 달기도 한다. 냉각법으로는 팬을 내부에 장치하는 방법, 통풍이 잘 되게 하는 방법, 그리고 외부에 핀(放熱板)이나 팬을 다는 방법 등이 있다.

삼상유도전동기

삼상유도전동기의 원리

三相誘導電動機－原理

아라고의 원판

Arago－圓板

도체(導體)로 된 원판의 테두리에서 조금 사이를 떼어 영구자석을 대고, 〔그림〕－4처럼 자석을 이동하면 그에 따라 원판도 회전한다. 이 현상은 다음과 같이 설명할 수 있다.

자석이 이동하면 원판이 자속(磁束)을 자르게 되므로 전자유도(電磁誘導)의 법칙에 따라 유도기전력이 생겨, 원판에는 그림과 같은 소용돌이 모양의 유도전류(와전류)가 생긴다. 자계 안의 전류는 플레밍의 왼손 법칙에 정해진 방향의 자기력을 받기 때문에 원판이 회전하는 것이다. 회전력에는 원판의 회전 방향(원주방향)과 직각으로 흐르는 전류만이 효과가 있다. 원판을 〔그림〕－5와 같은 원통이나 기타 회전자로 변형시키고 마찬가지로 자석의 이동에 따라 돌아간다.

회전자계와 동기속도

回轉磁界－同期速度    영구자석을 이동시키는 대신 삼상교류를 더한 전자석에 따라 자계를 회전시킬 수가 있다. 〔그림〕－6과 같이 3쌍의 코일을 서로 120°씩의 각도가 되도록 고정시키고, 120°씩 위상이 엇놓인 삼상교류 1상분을 각각 흘리면 합성 자계는 방향만 어떤 일정한 속도로 변화하는 회전자계(回轉磁界)가 생긴다. 이 그림과 같은 권선(卷線)으로는, 회전자계는 B극과 S극이 하나씩 나타나기 때문에 2극권(極卷)이라고 하는데 권선을 배(6조)로 하면 N극과 S극이 둘씩 나타난다(4極卷). 어느 경우나 교류의 1 사이클 사이에 자계는 2극분을 회전한다. 교류의 주파수를 , 권선에 따라 생기는 극수를 라 하면 회전자계의 속도 은

   

 이 된다. 이것은 유도전동기의 동기속도(同期速度)라고 한다.

삼상유도전동기의 구조와 종류

三相誘導電動機－構造－種類

삼상유도전동기에서는 회전자계를 만드는 부분을 고정자, 내부에서 회전하는 부분을 회전자라 한다. 고정자는 철심의 안쪽에 홈을 파고 고정자 권선을 절연시켜 이 홈 안에 끼운 것이다.

회전자로는 원통형의 철심의 바깥 둘레에 홈을 만들어, 구리나 알루미늄 같은 도체를 끼운 것을 사용한다. 고정자와 회전자 사이의 틈은 0.3∼2.5mm 정도이다(〔그림〕－3). 철심 부분은 모두 원형 또는 부채형의 실리콘 강판을 성층(成層)시킨 것이다. 회전자 도체의 모양에 따라 삼상유도전동기는 다음과 같이 분류한다.

보통농형유도전동기

普通籠形誘導電動機

회전자 철심의 바깥 둘레에 따라 축방향으로 많은 막대꼴의 도체를 늘어놓고 양쪽 끝을 고리(短絡環)로 접속한 것을 말한다. 철심을 빼고 난 뒤의 모양이 다람쥐 같은 것을 넣는 농형(籠形)과 비슷하여 이것을 농형회전자라고 한다(〔그림〕－7).

소형 회전자로는 홈과 양쪽 끝에 알루미늄을 부어 만든 알루미다이카스트 회전자도 쓰인다.

또 일반적으로 소형의 것은 도체가 축방향에 대해서 비스듬한 것이 많다. 이것은 어느 위치에서나 시동 토크를 같게 하기 위한 것이다.

농형유도전동기는 구조는 간단하지만 시동전류(보통 전동기에 전압을 가한 순간에 전동기로 흘러 드는 전류를 말한다)가 큰 대신에 시동 토크가 작은 결점이 있다.

권선형유도전동기

卷線形誘導電動機

고정자와 같은 방법으로 권선을 사용한 회전자를 쓴다. 이 회전자권선(回轉子卷線)을 회전축에 달린 슬립링(slip ring)에 연결하고 여기다 접촉시킨 브러시를 통해서 외부의 시동저항기(始動抵抗器)에 이어 시동 토크를 크게 하거나, 저항에다 잇고 회전자의 전류를 바꾸어 속도를 제어할 수가 있다. 다만 구조와 조작은 다소 복잡하다.

특수농형유도전동기

特殊籠形誘導電動機

이 시동 토크를 크게 하기 위하여 농형 회전자의 도체를 이중으로 한 것과 깊은 홈을 가진 것이 있다. 이들은 권선형(卷線形)의 특징을 가미한 농형유도전동기이다.

삼상유도전동기의 특성

三相誘導電動機－特性

유도전동기는 고정자권선이 만드는 자속과 그에 따라 회전자에 유도되는 전류에 따른 토크를 발생한다. 그 속도－토크 특성은 〔그림〕－8의 a의 같은 정속도 특성이 있다.

유도전동기에 부하를 걸고 시동시켰을 때 전동기는 우선시동 토크 ①로 돌아가기 시작한다. 속도가 증가함과 동시에 곡선에 따라 토크는 커지며, 최대 토크점 ②를 지나 ③상태에 이른다. 이것은 전동기와 부하의 속도 토크 특성 곡선이 교차하는 점이며, 이 부근에서 전동기의 운전은 안정된 상태에 이른다(〔그림〕－8의 b). 특히 전동기에 따라 정해진 규정 토크를 전부하(全負荷) 토크라 하고 이 때의 속도를

전부하 속도(全負荷速度)라 한다.

이 점에서부터 전동기에 거는 부하를 차차 증가시키면 곡선을 따라 속도가 조금씩 떨어져서 마침내 최대 토크 ②에 도달하며, 부하가 더욱 커지면 전동기는 멎어 버린다. 그리고 ③의 점에서 부하를 줄여 가면 속도는 조금씩 올라가다가 무부하일 때에는 ④의 상태로 안정된다. 이것은 토크가 0이고 속도는 최대상태(空轉狀態)이다. 이 최대의 속도는 회전자계의 동기속도보다 조금 작은 데 있다. 동기속도와 회전자속도와의 차의 동기속도에 대한 비율은 슬립(slip)이라 한다. 유도전동기에서는 전부하 슬립은 5∼10% 정도까지이다. 또 최대 토크와 전부하 토크의 비는 보통 175% 이상이다.

삼상유도전동기의 시동과 속도제어

三相誘導電動機－始動－速度制御

시동 始動

전동기(電動機)로 흐르는 전류는 운전할 때에는 회전자도체(廻轉子導體)가 만드는 자계에 따라 역기전력(逆起電力)이 생기므로 제한되고 있다. 그러나 시동할 때에는 규정전압을 직접 걸면 대단히 큰 시동 전류가 흘러(보통은 정격전류의 5∼7배 정도가 된다) 권선이 타 버리는 수가 있다. 그리하여 시동 방법이 여러 가지로 연구되고 있다.

농형 전동기의 시동법은 다음과 같다.

⑴ 직접시동(直接始動) ― 규정전압으로 시동하는 방법인데, 보통 소출력 전동기에 쓰인다.

⑵ 와이­텔타(Y－DELTA ) 시동법 ― 〔그림〕－9의 a 개폐기 S1을 닫고 S2를 우선 와이(Y) 결선측(시동측)으로 연결시키면 전압을 규정된 58%(= 1 OVER SQRT 3 ) 로, 시동 전류와 시동 토크를 1 OVER 3 로 제한할 수 있다. 전동기의 속도가 상당히 증가한 다음 S2를 델타(DELTA)

결선측(운전측)으로 바꾸어서 전전압을 공급한다. 보통 출력 5∼15㎾의 농형전동기(籠形電動機)에 쓰인다.

⑶ 시동보상기법(始動補償器法) ― 시동보상기라 부르는 단권(單券) 변압기(〔그림〕－9의 b)로 전압을 알맞게 낮추고 시동한다. 출력 15㎾ 이상의 것에 많이 쓰인다.

권선형유도전동기에는 회전자 권선에 저항기를 접속하여, 가속함에 따라 이것을 차차 빼며 시동전류를 제한함과 동시에 시동 토크도 크게 한다.

속도제어

速度制御

유도전동기의 속도는 동기속도(同期速度)에 따라 거의 정해져 있다. 그러므로 운전중의 속도제어는 비교적 곤란하다. 속도제어 방법으로는 다음과 같은 것이 있다.

⑴ 극수변환(極數變換) ― 동기 속도가 극수에 반비례하는 성질을 이용, 권선의 접속을 바꾸거나 해서 변속한다. 속도는 단계적으로 변화한다.

⑵ 주파수변환(籠形) ― 동기속도가 전원 주파수에 비례하는 성질을 이용하여 원활한 속도제어를 한다. 가변(可變)주파수 전원으로서 전용 발전기를 사용하는 것이나, 사이리스터(thyrister)를 사용하는 것이 있다. 〔그림〕－10은 SCR 고주파 전원에 따라 매분 15만 번 회전하는 전동기의 계통도 내면연삭반(內面硏削盤)의 주축용으로 쓰이는 것이다.

⑶

2차저항제어(二次抵抗制御：卷線形) ― 회전자권선(2차권선)에 접속한 저항값의 증감법. 직류전동기의 전기자(電機子) 직렬저항제어(直列抵抗制御)와 같은 특성을 보인다. 속도 변동률이 크고 효율이 나쁘다.

⑷ 2차여자법(二次勵磁法：卷線形) ― 2차권선에 외부에서 전류를 통해 자계를 만들고(勵磁), 그 작용으로 속도를 제어한다. 2차권선의 여자법으로는 세르비우스식·크레머식 같은 방법이 있다.

⑸ 와전류 조인트에 의한 방법 ― 프레임 속에 장치된 여자(勵磁)코일에 직류전류를 흘리면 2중 드럼과 유도자 사이에 자속이 통한다. 이 자속은 유도자에 따라 변화하며 드럼에 와전류가 발생한다. 그 작용으로 드럼을 단 부하측의 축은 전동기와 같은 방향으로 돌아간다. 전자석의 여자전류를 바꾸면 전동기측과 부하측 사이의 힘이 달라져 슬립(slip)이 조정되므로 부하의 속도가 제어된다. VS모터(variable slip motor)나 EC모터(eddy­current coupling motor)라는 전동기에는 이러한 와전류 조인트를 조립한 것이 있다.

삼상유도전동기의 용도

三相誘導電動機－用途

삼상교류 전류를 사용하는 유도전동기는 공장의 동력원으로 가장 일반적인 것이다. 그것은 구조가 간단하고 값이 싸며 다루기가 쉬울 뿐만 아니라 신뢰도(信賴度)도 높기 때문이다. 보통 220V로 사용하며, 출력은 농형이 0.2∼3.7㎾, 권선형·특수농형이 5.5∼3.7㎾ 정도이다. 또 농형은 일정 속도로 운전하는 부하에 권선형·특수 농형은 시동이나 속도제어가 문제되는 부하에 사용된다.

직류전동기

직류전동기

直流電動機

직류전동기는 구조나 취급이 다소 복잡해지지만 넓은 범위에 걸쳐서 속도를 제어할수 있는 이점이 있다. 그리고 작은 것은 출력수 밀리와트 마이크로모터(micro motor)에서 큰 것은 수천 킬로와트 모터까지 제작되고 있다.

직류전동기의 구조

直流電動機－構造

직류전동기의 원리는 일정한 자계중에 놓은 코일에 전류를 통하고 그 중심을 축으로 하여 회전시키는 것이다. 언제나 같은 방향의 토크를 발생시키며, 연속적으로 회전시키려면 반회전마다 전류를 역전시켜 좌우변에 언제나 같은 방향의 전류를 공급할 필요가 있다. 코일의 양변에 붙인 정류자편(整流子片)과 이에 접속되는 브러시가 이 일을 한다.

아래 사진은 220V·50㎾ 직류전동기와 이것을 분해한 것이다. 회전하는 코일에 해당하는 부분이 전기자(電機子)이고 성충철심의 홈에 코일을 끼워 만든다. 코일의 수가 적으면 토크가 맥동(脈動)하기 때문에 전기자 코일은 원 둘레에 많이 부착되어 있으며, 그에 따라 정류자편도 많아진다. 일정한 자계를 만드는 자극 부분이 계자(界磁)이며, 철심에 선을 감아 외부로부터 직류로 여자한다.

자극의 수는 10극 이상되는 것도 있다. 대형전동기가 되면 전기자의 전류에 따라 생기는 자속을 조정하여 정류(整流)를 잘하기 위하여 보극(補極, 인접한 자극과의 중간)이나 보상권선(補償卷線, 자극의 표면 부근)을 붙인다. 이 설명으로 알 수 있는 바와 같이 직류전동기는 직류발전기와 같은 구조로써 전기자에 전류를 공급하여 기계적 회전을 빼내든가, 전기자(電機子)에 회전을 주어 전류를 빼내는 것이 다를 뿐이다.

직류전동기의 종류와 특성

直流電動機－種類－特性 발생 토크와 회전속도 發生 torque－回轉速度

직류전동기의 발생 토크는 자속의 밀도와 전기자에 흐르는 전류(전기자전류)에 비례한다. 부하에 공급이 되는 토크는 전동기 내부에서의 손실이 있기 때문에 그 몇 퍼센트가 줄게 된다. 회전속도는 전기자 전압에 비례하며 자속에 반비례한다. 이 성질에 따라 전기자회로(電機子回路)와 계자회로(界磁回路)의 접속 방법을 바꾸며 여러 가지 특성의 전동기가 된다(〔그림〕－11).

직류타려전동기

直流他勵電動機

전기자권선과 계자권선(界磁卷線)을 각각 다른 전원에 접속하는 것이다. 부하의 토크가 변동하면, 전동기에서 발생하는 토크도 이에 따라서 변화하지 않으면 안 되는데 자속이 일정하기 때문에 전기자전류만이 변화한다. 전기자전류가 변화하면 전기자 회로의 저항으로 인한 전압 강하분(降下分)만큼 속도가 변화하는데 이 내부 저항은 적으므로 속도변화는 그다지 없다. 즉 이 전동기는 정속도(定速度) 특성을 갖는다. 이러한 성질을 일반적으로 분권 특성(分卷特性)이라 한다. 전기자 회로를 가변 전압의 직류전압원과 연결하면 광범위한 속도 제어를 할수 있다. 압연기(壓延機)·초지기(抄紙機)·하역기계(荷役機械) 등에 많이 이용된다.

직류분권전동기

直流分卷電動機

같은 전원에 전기자권선과 계자권선을 병렬로 접속한 것이다. 타려전동기(他勵電動機)와 같은 이유로 분권 특성을 갖는다. 계자 회로에 가변저항기를 넣어 계자전류를 변화시키면 자속이 변화하고 회전 속도가 변화한다. 그래서 공작기계나 각종 자동제어장치(自動制御裝置) 등으로 특히 정밀한 속도제어가 필요한 때 등에 쓰인다.

직류직권전동기

直流直卷電動機 전기자권선과 계자권선을 직렬로 접속한 것이다. 전기자 전류가 그대로 계자권선에 흐르기 때문에 부하가 요구하는 토크가 클 때에는 전기자 전류도 늘어난다. 그 결과 자속이 늘어나기 때문에 속도가 내려가고 발생하는 토크는 현저하게 커지며 가속도가 크다. 반대로 부하 토크가 작고 전기자전류가 작으면 계자 자속도 작아져서 속도가 현저히 올라간다. 이러한 성질을 직권특성(直卷特性)이라 부른다. 이런 특성으로 전차나 전기기관차 등에 많이 쓰인다.

직류복권전동기

直流複卷電動機

분권계자권선과 직권계자권선의 양쪽을 가진 것으로, 분권·직권의 중간 특성을 지닌다. 즉 직권 특성에 따라서 시동 토크와 속도변동이 커지고, 분권 특성에 따라 과도한 속도가 될 위험이 없다. 부하의 성질에 따라 분권권선과 직권권선의 비율을 알맞게 선정하여 설계할 수 있다.

분권계자와 직권계자의 자속이 같은 방향이 되도록 접속된 것이 화동복권전동기(和動複卷電動機)이고 전단기 등과 같이 갑자기 무거운 하중이 걸렸다가 작업이 끝나면 당장 무부하가 되는 것, 그리고 엘리베이터나 기중기·권양기(捲揚機)와 같이 시동시의 토크가 크고 속도 변화가 적은 것에 쓰인다. 그러나 2개의 계자권선에 의한 자속이 반대 방향이 되는 차동복권전동기(差動複卷電動機)는 운전이 불안정하기 쉽다.

직류전동기의 시동과 속도제어

直流電動機－始動－速度制御 시동 始動

직류전동기의 시동전류는 현저히 크다. 예를 들면 전기자 저항 0.05Ω, 출력 7.5㎾인 분권전동기는 110V 전압을 가하면 2200A의 전류가 흐른다. 그 때문에 심한 불꽃이 튀고 혹은 권선을 태울 염려가 있다. 따라서 시동할 때에는 반드시 전기자에 직렬로 저항을 접속하고 시동 전류를 제한한다. 이 저항엔 알맞게 구분하여 전동기의 속도가 상승함에 따라 수동 또는 자동으로 저항을 줄여 나간다(〔그림〕－12).

속도제어

速度制御

직류전동기는 단체(單體)라도 여러 가지 속도­토크 특성들이 있는데 운전중에도 다음과 같은 여러 방법으로 속도(速度)를 간단히 제어할 수 있다(〔그림〕－13).

⑴ 계자제어(界磁制御) ― 계자전류를 증감시키면 자속이 증감하며 속도도 증감한다. 분권전동기에서는 계자권선에 직렬(直列)로 가변저항기를 넣는다. 최고·최저 속도의 비는 1.5배 정도, 보극(補極)이 있을 경우에는 3∼5배가 된다. 직권정동기에서는 계자권선에 병렬로 가변저항기를 넣거나 계자권선의 유효권수(有效卷數)를 바꾼다.

⑵ 전기자직렬저항제어(電機子直列抵抗制御) ― 전기자에 직렬로 저항을 넣으면 전기자 전압이 내려가 속도가 준다. 이 방법은 계자제어를 쓸 수 없는 저속 때에도 사용할 수 있다. 그러나 전력 손실은 크다.

⑶ 전기자전압제어(電機子電壓制御) ― 가변전압 전원을 써서 전기자 전압을 증감한다. 시설비는 비싸지만 전력손(電力損)이 적고 속도제어가 원활하다. 직류발전기를 전원으로 하는 워드레오나드 방식과 수은정류기(水銀整流器)나 반도체정류기(半導體整流器)를 사용하는 정지(靜止)레오나드 방식이 있다. 제철용·선박조타용·전철용 등에 널리 쓰이고 있다.

⑷ 직병렬제어(直竝列制御) ― 2대 이상의 전동기를 직렬이나 병렬로 잇고 단자(端子) 전압을 바꾸어 제어하는 방식으로 주로 전차에 쓰인다(〔그림〕－14).

기타 전동기

단상유도전동기

( 單相誘導電動機)    단상인 유도전동기에서는 고정자가 1상분밖에 없기 때문에 자계도 회전하지 않고 극성(極性)만이 교체될 뿐이다(이것을 교번자계라 한다). 따라서 회전자가 정지하고 있는 상태에서는 전류는 흘러도 시동 토크는 생기지 않는다. 그러나 회전중에는 회전자 도체가 차례로 자계를 끊고 지나가므로 유도전류(誘導電流)가 흐른다. 이 전류에 따라 생기는 자계는 고정자로 인한 자계와 위상적(位相的)으로도 위치적으로도 거의 90° 벌어지므로 양쪽 자계를 합성하면 삼상교류와 같은 회전자계가 되고 전동기는 제 힘으로 회전을 계속하게 된다. 이런 이유로 단상유도전동기는 우선 어떤 방법으로든 시동시켜 주어야 한다. 그리고 내부에 있는 시동 장치에 따라 다음과 같이 나눌 수 있다.

 

〔표〕-2  단상유도전동기의 적용
목      적	전  동  기  종  별
농업용 펌프   세탁기 선풍기·소용량 송풍기 등 냉장고·냉동기 등 분쇄기 등 공업용 기계	반발시동식, 콘덴서시동식 반발시동식, 콘덴서시동식, 분상식(分相式), 콘덴서전동기 콘덴서전동기 콘덴서전동기, 쉐이딩코일식 콘덴서시동식 분상식, 콘덴서시동식 콘덴서시동식, 분상식

 

분상시동형

分相始動形

주권선(主卷線) 이외에 보조권선을 가진 것으로, 이 두개로 회전자계를 만들어 시동한다. 동기속도(同期速度)의 75∼80%까지 가속하면 원심력으로 작용하는 릴레이(relay) 등으로 보조권선을 분리하고 주권선만으로 운전한다. 구조는 가장 간단하여, 출력 50∼200W 정도의 공업용 전동기에 많이 쓰인다.

콘덴서시동형

condenser 始動形

보조권선과 직렬로 콘덴서를 넣어 권선과 보조권선의 전류의 위상차(位相差)를 90° 가깝게 하고 시동 토크를 증가시키는 것. 출력 100∼400W 정도이다.

콘덴서전동기

condenser 電動機 운전중에도 보조권선과 직렬로 콘덴서를 넣어 두는 것. 시동 토크는 낮지만 운전중의 토크는 높다. 출력은 극소한 것부터 200W 정도까지 있다.

반발시동형

反撥始動形

회전자를 권성형으로 하고 정류자·브러시를 갖춘 것으로, 회전자에 전류를 흘려서 시동하며, 일정 속도 이상이 되면 원심력으로 정류자를 자동적으로 단락(短絡)하여 브러시를 정류자로부터 분리하고 유도전동기로서 사용한다. 소음이 크고 코스트도 높지만 시동 때의 토크가 크고 전류가 적어도 된다. 출력은 100∼750W 정도이다.

셰이딩코일형

shading coil 形

고정자 철심의 돌출부를 쪼개어 그 한쪽에 단락(短絡)코일(셰이딩코일)을 달고 주권선과 단락코일로 회전자계를 만들어 내는 시동 토크는 매우 작아 공업용으로 사용하지는 못한다. 출력은 극소에서 100W 정도. 이들은 모두 토크나 효율의 점에서 대형의 전동기에는 부적당하지만 단상 100V의 전원으로 사용할 수 있으므로 가정용·농업용·간단한 공업용의 손쉬운 동력원으로 사용된다.

동기전동기

同期電動機

구조는 회전계자형(回轉界磁型) 발전기와 같다(〔그림〕－15의 a). 고정자(電機子) 권선에 삼상교류를 흘려 회전자계를 만들고 회전자계의 계자극(界磁極)을 외부로부터 슬립링을 통해서 직류전류로 여자(勵磁)한다. 이 때 회전자계에 따른 자극과 계자극 사이엔 인력 또는 척력(斥力)이 작용하여, 회전자는 부하가 변동해도 언제나 회전자계의 동기속도(同期速度)와 전혀 같은 속도로 회전한다(〔그림〕－15의 b). 그 대신 동기전동기에서는 부하(負荷)의 증감에 따라 회전자계와 계자극 사이의 각도(이를 부하각이라 한다〔그림〕－15의 c)가 변화한다. 무부하(無負荷)인 경우에는 부하각은 0이고 발생하는 토크도 0이다. 부하각은 부하의 증가에 따라 커지며, 이에 따라 토크도 커진다. 토크는 부하각이 50°∼70°일 때 가장 커진다. 최대 토크 이상의 부하가 가해진 경우에는, 발생하는 토크의 시간적 평균값이 0이 되어 전동기는 돌아가지 않게 된다.

회전자가 정지되어 있거나 저속일 때에는, 회전자계(回轉磁界)에 뒤따를 수 없기 때문에 동기전동기에는 원리적으로 시동 토크는 없다. 이것 때문에 회전자의 자극 표면에 시동권선(始動卷線：농형권선)을 달고 전기자권선과 이 시동권선을 사용, 유도전동기로서 시동시킨 다음 가속되어 동기속도에 가까워졌을 때에 회전자에 계자를 가하여 동기운전으로 끌어들인다.

동기전동기는 일정 부하로 운전하고 있을 때, 계자극의 여자전류를 증감하면 전기자 전류가 변동하는 성질을 갖고 있다. 그 때문에 작은 전류로 사용할 수 있어 대용량 저속도의 기계에서는 유도전동기보다도 경제적이다.

응용면은 넓어 대형압연기·시멘트 원료 분쇄기·저속도 대용량의 송풍기나 압축기 등 속도를 바꿀 필요가 없는 부하의 운전에 사용되거나, 또 양수발전용(揚水發展用) 발전 전동기로서 혹은 전력 계통의 역률(力率) 개선이나 전압조정 등에도 쓰인다. 소형의 것은 일정 속도의 회전이 필요한 정밀기계나 측정기기(測定機器), 예컨대 팩시밀리 등에 사용된다.

교류정류자전동기

交流整流子電動機

동기전동기나 유도전동기는 전원 주파수에 따라서 결정되는 동기속도에 구속되어 일반적으로 회전 속도를 자유로이 선택할 수 없다. 그러나 고정자에 유도전동기와 같은 권선을 달고 회전자에는 직류전동기와 같은 정류자를 가진 권선을 달면 교류 전원으로 운전이 가능할 뿐만 아니라 속도를 제어할 수 있는 교류정류자전동기(交流整流子電動機)가 된다. 교류정류자 전동기에는 단상의 것과 삼상의 것, 직권식과 분권식이 있으며 각종 구조가 고안되고 있다.

단상직권전동기(單相直卷電動機)의 구조는 직류직권전동기와 거의 같다. 직권전동기에서는 단자(端子) 전압의 극성(＋ －)이 반대가 되면 고정자에 의한 자계의 방향과 회전자에 흐르는 전류의 방향이 양쪽 다 반대가 되기 때문에 단자 전압의 극성에는 관계없이 회전자는 항상 같은 방향으로 회전한다.그렇기 때문에 소용량인 직권전동기는 단상교류나 직류에도 사용할 수 있으므로 만능전동기(萬能電動機：universal motor) 또는 교직양용전동기(交直兩用電動機)라고 불리고 있다. 이것들은 가정용 청소기나 믹서(mixer), 재봉틀, 8밀리 영사기, 전동 공구(工具) 등에 사용된다. 대용량은 보상권선이나 보극권선을 설치한다. 이것은 전기 철도용으로 쓰인다.

같은 형의 전동기로서 회전자권선의 일부 또는 전부를 단락(短絡)한 것에 반발전동기(反撥電動機)가 있다.

삼상직권전동기(三相直卷電動機)는 고정자권선과 회전자권선을 중간 변압기를 통해서 직렬로 접속한 것으로, 브러시의 이동·유도전압조정기 등에 의해 속도제어를 한다. 선박용 윈치(winch)·종이나 전선감는 기계 등에 쓰인다. 삼상분권전동기(三相分卷電動機)는 조정권선이나 유도전압조정기를 갖고 있어, 이로부터 가변전압을 끌어내어 회전자권선에 가하여 속도를 제어한다. 제지(製紙)·섬유·시멘트·고무 등의 공장에서 널리 사용된다.

전동기의 진보

전동기의 진보

電動機－進步

전동기가 발명된 후 거의 100년이란 기간이 갔다. 그 동안에 여러 가지 형의 전동기가 개발되고 기술이나 재료의 진보에 따라 끊임없이 개선되어 왔다. 즉 각기계의 특성에 따라 고성능화되어 어떤 것은 대출력으로, 어떤 것은 고속도로, 그리고 어떤 것은 경량(輕量)·소형(小形)으로 각각 변화했다. 그리고 내구성(耐久性)이나 수명이 향상되었다. 또 한편으로는 각종 작업 기계가 고성능화하고 복잡화함에 따라 구동용(驅動用)의 주(主)전동기 이외에 각종 보조장치나 자동제어장치를 활용하는 제어용 전동기나 서보모터(servomotor) 등이 발달했다.

E종 절연전동기

E 種絶緣電動機

종래에는 A종이라고 불려왔으며, 절연재료를 사용한 전동기가 주류였으나, 최근에는 E종 절연전동기가 보통이다. A종절연은 무명·명주·종이 등의 절연재료를 사용, 여기에 바니시(varnish) 종류를 먹이거나 기름 속에 담가 두었던 것이다. 이에 대하여 E종절연은 폴리에스테르계 재료를 사용해 바니시 종류를 먹인 것이다. E종절연 재료는 A종보다 허용 온도가 약 15℃ 높고, 또 20∼40%나 소형화·경량화되어 있다.

무정류자전동기

無整流子電動機

직류전동기의 브러시와 정류자, 동기전동기의 슬립링은 전동기의 수명을 단축하게 하므로 큰 결점으로 알려져 있다. 그러나 최근 전자학(electronics)의 발전에 따라, 이들에 대치될 수 있는 전자장치를 기체 내부에 넣은 전동기가 개발되었다. 예컨대 직류전동기의 고정자에 트랜지스터로 개폐(開閉)동작을 시키기 위한 권선을 덧붙이고 브러시 정류자에 의한 정류작용을 대행하도록 한 트랜지스터 모터가 있다.

서보모터

servomotor

물체의 위치·방위·자세·회전 속도 등을 제어량(出力)으로 하고 목표치(目標値, 人力)의 변화에 뒤따르도록 구성된 자동제어계(自動制御系)를 서보기구(servo機構)라하며, 보통 피드백(feed back) 회로를 가지고 있어, 출력의 검출부·목표치와의 오차 증폭부·조작부·제어 대상 등으로 구성된다(〔그림〕－16). 이러한 서보계(系)의 조작부에 사용되는 것이 서보모터인데, 전기식(직류·교류)·유압식·전기유압식으로 된 것들이 있다. 서보모터의 사명은 목표치로부터 벌어짐에 따라 재빨리 정·역회전하여 서보계를 평형으로 유지하는 일이며, 일반적으로 시동·정지·역전(逆轉)의 동작이 신속 정확해야 하고, 더구나 시동 토크가 커야 할 것과 신속히 평형 상태에 도달하도록 전동기의 고유 응답성(固有應答性)이 좋아야 한다.

직류서보모터에는 서보용 직류전동기·프린트 모터(print motor)·평활전기자형 전동기가 있다. 서보용(用) 직류전동기는 전기자를 좁고 길게 하여 관성(慣性)을 적게 하며 전기자 홈을 비스듬히 만들어 토크의 맥동을 없애고, 고정자의 계철(繼鐵)을 성층강판제(成層鋼板製)로 하여 와전류를 줄인 것이다. 프린트 모터는 절연물의 얇은 원판 양면에 동박(銅箔)을 프린트 배선한 것을 전기자로 하고, 여기에 브러시를 직접 접촉시켜서 전류를 통할 수 있는 구조로 된 것이다. 자극으로는 영구자석을 사용하며, 전기자에는 철심이 없다. 출력 1㎾ 정도의 것까지 있다.

평활전기자형 전동기는 매우 좁다란 철심의 주위에 전기자권선을 유리 테이프(tape)로 고정시켜 전체를 에폭시 수지(樹脂)로 굳힌 것이다. 출력 20㎾ 정도의 전동기(電動機)도 있다.

교류서보모터로 잘 쓰이는 것은 이상서보모터(二相 servomotor)이다. 이것은 2상권의 농형유도전동기로서 여자권선과 제어권선이 있으며, 제어권선에의 전압의 크기 또는 위상을 변화시켜 제어한다. 직류서보모터와 같이 회전자를 얇게 하거나 좁다랗게 하거나 하는데, 회전자 철심의 중량이 큰 부분을 고정시킨 채 권선 부분만을 회전시키도록 만든 것도 있다. 출력은 수십 와트의 소형전동기가 보통이다.

그 밖에 특수한 것으로는 스테프모터(펄스모터)가 있다. 이것은 디지털(digital)량(펄스수)을 아날로그량(機械變位)으로 변환하는 것의 하나로, 프로그램되는 방법으로 직류여자(直流勵磁)될 때 일정 각도만큼 회전하는 장치이다. 각도 변위의 방향은 펄스(pulse)의 순서로 정해진다. 피드백 회로가 필요치 않는 오픈 루프(open loop)식 제어계(制御系)의 서보모터로서 많이 사용된다.

정류기기

회전변류기

回轉變流機

동기전동기를 직류발전기에 직결하고 운전하면 교류를 직류로 간단하게 변환할 수 있다. 그러나 이 방법은 설비비가 비싸며 종합효율도 낮다.

회전변류기(또는 동기변류기)는 이 결점을 해소하기 위하여 동기전동기와 직류발전기의 두가지를 1대에 모은 것이다(〔그림〕－17). 이 기계의 전기자에 슬립링을 통하고 삼상교류 전류를 흘리면 일종의 동기전동기로서 운전하며 같은 전기자에서 전류를 끌어낼 수가 있다. 다만 회전 부분이나 브러시·정류자 등의 마모 부분이 있기 때문에 효율·수명이 모두 정지기기보다 뒤떨어지므로 현재에는 특수한 경우 이외에는 쓰이지 않는다.

수은정류기

水銀整流器

〔그림〕－18의 왼쪽은 유리수은정류기의 정류관이다. 이것은 진공으로 된 내열유리관 바닥에 수은 C를 넣고(음극), 상부의 양쪽 돌출부 속에 흑연 전극 A1, A2(양극), 음극 가까이에 점호극(點弧極)이라 부르는 작은 전극 I를 놓고 단상변압기의 2차권선을 두 상(相)으로 나누어 여기다가 양극을 이은 것이다. 정류관을 오른쪽으로 기울여 스위치 S를 넣으면 수은이 흘러 점호극 I와 음극이 연락하여 C·I·전지·저항으로만 된 국부회로(局部回路)에 전류가 흐른다. 그 때 갑자기 관을 원위치로 되돌리면 C와 I 사이의 수은이 끊어져 불꽃이 튀고 수은 증발이 심해지며, 또 수은면상에 백색 휘점(輝點)이 생긴다. 이것을 음극점이라 하는데, 여기에서는 무수한 자유전자(自由電子)가 생겨 전위(電位)가 ＋로 되어 있는 쪽의 양극을 향해서 이 자유전자가 탈출한다. 이 자유전자의 작용에 따라 도중에 있는 수은분자가 전리되어 전류가 커지며, 음극점과 양극 사이에 수은전호(水銀電弧：아크)가 생긴다. 그 결과 양극 전류 i sub 1 또는 i sub 2 가 A1 또는 A2에서 C를 향해서 흘러, 부하를 통해서 중성점(中性點) O로 돌아간다. 따라서 부하측에서 보면 음극 C가 ＋극이 되고 중성점 O가 －극이 된다.

음극과 양극 사이에는 보통 15∼30V의 전압 강하(電壓降下)가 있다. 그것은 양극 강하·전호중 강하·음극강하로 나뉜다. 음극 강하는 음극점에서 자유전자를 탈출시키고, 거기다가 전리(電離) 에너지를 주기 위한 전압인데, 정류관의 구조·수은 증기압·온도·부하를 흐르는 전류 등에 관계없이 약 10V이다. 정류 작용을 하게 되는 경우 순방향(順方向)에서는 전기가 통할 때의 전압 강하가 적고, 역방향에서는 될 수 있는 대로 높은 전압을 저지할 것이 요구된다. 수은 정류기는 수백∼수천 V의 역전압에 견디어야 한다.

대용량인 경우에는 유리정류관 대신에 쇠통(鐵槽)을 사용한 철제수은정류기가 사용된다(〔그림〕－21).

수은정류기에는 단상반파정류(單相半波整流)·단상전파정류(單相全波整流)·3상이나 6상 혹은 그 이상의 다상정류(多相整流) 등 여러 가지 형의 정류기가 있다. 도 양극 아래 그리드(grid)를 설치하고 음극에 대한 그리드의 전류를 바꾸어 발생하는 직류전압을 조정하거나 하는 그리드 제어수은정류기(grid 制御水銀整流器)도 있다. 제어 그리드는 니켈(Ni)이나 몰리브덴(Mo)으로 만든 망상(網狀)의 것(유리정류기), 흑연이나 순철(純鐵)의 그리드(鐵製整流器)가 사용된다. 수은정류기는 과열을 피하고 수은 증기를 응축(凝縮)시키기 때문에 풍랭(風冷) 또는 수냉(水冷)시킨다. 또 전류의 맥동을 없애기 위해서는 예컨대 〔그림〕－19의 왼쪽과 같이 부하 회로에 코일을 넣거나 하는 방법이 효과가 있다.

반도체정류기

半導體整流器

정류소자의 대표적인 것은 다결정체로는 아산화구리(CuO)·셀렌(Se) 등이고 단결정체로는 게르마늄(Ge)·실리콘(Si) 등이다.

아산화구리정류기 및 셀렌정류기(〔그림〕－20)에서 전류는 연판(鉛板)→아산화구리(亞酸化銅)→동기판(銅基板), 기판→셀렌층→음극 합금의 방향으로만 흐른다. 아산화구리는 기판의 표면을 산화시킨 얇은 피막(皮膜)이고, 셀렌은 기판 위에 증착(蒸着)된 0.05∼0.1mm 정도의 층이다.

셀렌정류기는 1개로는 소용량이지만, 직렬 또는 병렬로 여러 판(板)을 접속하면 상당한 전압·전류에도 사용할 수 있다. 교류 100V를 정류하는 데는 4∼6매의 소자를 직렬로 접속하면 된다. 전압이 낮을수록 소자 내에서의 전압 강하가 적어지므로 일반적으로는 소용량·저전압에서 많이 사용된다. 텔레비전·라디오의 정류관 대신에 쓰이고 있는 것도 대개는 이것이다. 게르마늄정류기와 실리콘정류기(〔그림〕－22)는 반도체의 p­n 접합이 밸브 작용이 있음을 이용한 것이다. 실리콘정류소자는 내열성이나 효율이 좋고 역방향의 높은 전압에 견딜 수가 있을 뿐 아니라 소형으로 만들 수가 있다는 이점이 있다. 그리고 상당히 대용량(예컨대 1600V 250A)의 정류기를 만들 수 있게 되고 종합 효율도 우수하므로 전기화학 공업이나 전기철도 등에서 응용 분야가 넓혀지고 있다.

같은 실리콘을 사용한 것으로 사이리스터(thyristor)가 있다. 그 중 가장 일반적인 것은 실리콘의 p­n­p­n 접합으로 만든 실리콘제어정류기(SCR)(〔그림〕－23)이다. 〔그림〕－24는 대표적인 SCR의 전압­전류 특성이다. 순방향(順方向) 소자 영역에서는 중앙의 n­p 접합의 저지작용 때문에 전압을 올려도 전류는 증가하지 않지만, 순방향 브레이크오버전압(실제로 사용할 경우의 회로전압보다는 훨씬 높은 값)을 넘으면 저지작용이 없어지고 고도통(高導通) 영역으로 옮겨간다. p­n­p­n 접합의 중앙의 p영역에 외부로부터 적당한 전류(게이트 전류)가 흐르면 이 전류의 값이 증가할수록 브레이크오버 전압은 낮아지고 어떤 일정한 값 이상이 되면 실리콘 정류소자의 특성과 같아진다(〔그림〕－25). 도통(導通)되고 있는 상태에서 순방향 저지영역으로 바꾸는 데는 전류를 보지전류(保持電流) 이하로 낮추면 된다.

SCR은 대전 후에 개발된 것인데, 최근에는 꽤 대용량의 전력용의 것까지 만들어지게 됐다. 그 스위치 작용을 이용한 각종 제어장치나 변환장치 등은 널리 사용되게 됐다.