1

421P

2

421P

10.1 개요

-. 정지에서 정격속도 이상까지 미세한 간격으로 조정 가능

적절하게 속도제어 하지 못할 경우

원심력에 의해 기기가 파손될 정도의 속도가 높아진다.

-. 모든 속도정격에서 정격토크를 발생

동일정격의 교류전동기에 비해 몇배 정도의 구속토크를 발생

-. 용도

차량과 철도산업

산업분야 : 로봇, 공작기구, 석유화학, 펄프, 종이, 제철소의 압연기,

석유 굴착, 채광장치

-. 직류공급장치

직류발전기가 교류를 직류로 변환하는 반도체장치로 대치된다.

3

422P

10.2 기본적인 직류기에서의 자속분포와 발전전압

-. 직류기의 극면(Pole face)

전기자와 극면 사이의 공극에서

일정한 자속분포를 제공하기에

적합한 구조

-. 극간에 프린징(Fringing)자속

-. 자기적 중립면(Magnetic-neutral

plane, Plane of zero flux)에서는

전기자표면에서 들어오거나

나가는 자속은 없다.

4

422P

자기장 내에서 반시계방향으로 회전하는 자기자코일의 여러 위치

-. O도 전기각에서는 공극을 지나는 모든 자속이 전기자 코일을 통과한다.

-. 전기자 코일이 영도위치에서 회전하면

자속의 양은 직선적으로 감소하여 90˚위치에서 영이 된다.

-. 90˚를 넘어서게 되면 자속은 코일을 반대방향으로 통과한다.

5

422P

자속의 회전각에 대한 그래프-. 극간영역에서 약간의 변화를 제외하면

코일을 통과하는 자속의 회전각에 대한 그래프는 삼각파 모양이 된다.

그림 10.2 코일의 회전각에 대한 전기자 코일을 지나는 자속의 변화

6

423P

전기자코일에서 발생되는 전압의 크기

-. 패러데이 법칙(Faraday’s law)

전기자코일의 권수와 코일을 통과하는 자속의 변화량의 곱과 같다,

-. 전압의 방향은

발전을 일으킨 회전을 방해하는 방향으로 발생(Lenz’s law)

결합된 Faraday-Lenz relationship

7

424P

페러데이-렌쯔 관계식을 삼각파에 적용하면 구형파의 전압파형

8

259P

전기자가 일정한 속도로 회전할 때 코일의 각속도는

식(10.2)를 식 (10.1)에 대입하면

9

424P

첫번째 반주기동안의 자속파형에 의한 전압파형의 기울기는 일정하다.

10

424P

식(10-4)를 식(10-3)에 대입하면

구형전압파형의 반주기 동안의 평균값은

11

259P

구형전압파형을 반도체회로나 기계적인 방법으로 정류하면

식 (10-5)는 파형의 전 범위에 적용이 가능하다.

12

425P

13

259P

전기자 권선은

각각의 턴은 두개의 도체(코일변, Coil side)를 갖는다.

단부결선(End connection)은 쇄교자속이 없으므로 전압이 발생치 않는다.

전기자도체수로 나타내면

14

426P

정격출력에서의 병렬회로수와 직렬로 연결된 도체수는

시스템의 전압과 전류에 의하여 결정된다.

저전압, 대전류에서는 고전압, 소전류에 비하여 병렬회로수가 많고,

직렬로 연결되는 도체수가 적다.

식(10-10)에서 상수를 KG로 대치하면

15

426P

유전

16

427P

10.3 정 류

직류전기자코일에서 발생되는 구형전압은

전기자에 축에 장착된 정류자(Commutator)에 의하여 단일극성 전압(Unidirectional

voltage)으로 바뀐다.

외부단자와의 연결은 스프링의 압력에 의하여 정류자편에 접촉하고 있는

브러쉬(Brush)라는 고정된 작은 흑연조각을 통하여 이루어진다.

전기자코일에서 발생된 전압은

전기각으로 180도 회전할 때마다 극성이 바뀐다.

정류작용에 의하여 외부회로에서의 전압은 같은 극성을 유지한다.

회전하는 정류자와 고정된 브러쉬는

회전스위치를 구성하여 정류라는 스위칭 작용으로 내부 교류발전기의 교류전압과

교류전류를 외부회로에 직류전압과 직류전류를 공급한다.

17

259P

코일이 중립면을 통과할 때

-. 코일은 브러쉬에 의하여 단락된다.

코일변이 자속을 쇄교하지 않으므로 전기자에 전압이 유기되지 않으며

단락전류도 흐르지 않는다.

-. 실제기기에서는

전기자에 분포된 많은 코일이 있으며, 중립면에는 한번에 한개의 코일만이 통과

한코일이 중립면에 진입하면, 다른 코일이 중립면에서 나오기 때문에

항상 일정한 전압을 발생한다.

18

259P

19

428P

10.4 구 조

20

428P

10.4 구 조

그림에서

-. 분권계자코일과 직권계자코일이 같은 극철에 감겨있다.

-. 일부 직류기는 분권계자코일을 사용하지 않고 영구자석을 극철로 사용한다.

직권계자코일이 영구자석 주위에 감겨 있다.

-. 보극(정류극)이라 불리는 작은극이 주계자극(main field pole) 사이에 놓여 있다.

보극은 기기에 부하가 있을 때 브러쉬와 정류자 사이에 발생되는 스파크를 최소화하

기 위하여 사용

-. 보극철과 주극철은 요크(yoke)나 주철(cast steel)의 프레임에 볼트로 고정된다.

-. 흑연(graphite)이나 금속-흑연(metal-graphite)브러쉬는 회전하는 정류자와

외부부하 사이를 연결하여 금속브러쉬 안에서 자유롭게 미끄러지도록 한다.

-. 피그테일(pigtail) 또는 분로(shunt)라는 짧고 유연한 구리도체를 통하여 브러쉬박스

에 연결

21

129P

10.5 간단한 전기자권선의 구성

- 중권(Lap winding)의 간단한 전기자권선의 구성

- 권선은 8개의 슬롯과 8개의 전기자코일로 구성, 2개의 계자로 운전

- 전기자권선의 배치도와 정류자의 결선

- 코일1의 한변은 슬롯 1번의 상단, 다른 변은 슬롯 5의 하단에 있다.

22

259P

-. 전기자 슬롯에서

상부도체와 하부도체의 배치모습

-. T(top)와 B(bottom)은 한 슬롯에서

상부도체와 하부도체를 나타낸다.

-. 브러쉬가 전기자에서 병렬회로의 구성

23

259P

10.6 브러쉬의 위치 -. 브러쉬는 전기자가 회전할 때

각각의 코일에 단락회로를 구성한다.

-. 단락현상은

코일의 끝부분과 연결되어 있는

두 개의 정류자편이 브러쉬와 접촉할

때 발생

-. 중립설정

브러쉬를 코일들이 자기적인 중립위치

에서 단락회로를 만들도록 위치시킨다.

-. 브러쉬가 다른 위치에서

코일에 유기기전력이 발생하고 있는 상태에서 단락이 일어나면,

코일이 과열되고 브러쉬에 스파크가 발생한다.

-. 직류기에서 브러쉬의 실제 위치

코일과 정류자의 위치에 따라 달라진다.

브러쉬의 위치가 확인되지 않는 경우에는 시험을 하여 중립면을 찾는다.

24

431P

10.7 기본적인 직류 발전기-. 분권발전기(Shunt generator)

-. 전기자와 분권계자로 구성

분권계자

-. 전기자와 병렬연결

-. 배터리나 다른 발전기(여자기 Exciter)와 같은 독립된 여자전원에 접속

25

431P

-. 배터리로 계자전류를 공급하는 타여자 분권발전기

-. 전기자권선저항(Ra)와 계자권선저항(Rf)

-. 잔류자속을 무시할 수 있는 타여자기기에서 극자속은

26

432P

식(10-13)을 식(10-14)에 대입하면

-. 강자성체의 자기저항 R은 일정하지 않으므로 식(10-14)는 비선형이다.

27

259P

계자권선에서의 전류는 오옴의 법칙에 의해

가감저항기의 저항을 줄이면

계자전류가 증가하고, 극자속을 증가시키므로 전기자 전압이 상승한다.

28

432P

29

433P

그림은 대표적인 직류기에 대한

-. 계자전류와 전기자 유기전압의 관계이다.

-. 일정속도와 전기자에 부하가 접속되지 않은 경우의

-. 자화곡선(Magnetization curve) 또는

개방회로특성(Open-circuit characteristics)라 불리는 곡선이다.

30

433P

31

259P

10.8 전압변동률(Voltage regulation)-. 무부하에서 정격부하까지의 부하를 변화시켰을 때

단자전압 변화의 정격전압에 대한 백분율이다.

-. 무부하전압의 근사치를 제공하는 방법으로

기기의 정수 및 자화곡선으로부터 무부하전압을 구하기도 한다.

32

434P

33

434P

10.9 발전기와 전동기의 상호 전환

발전기 동작

-. 클러치는 닫혀 있고, Ea ＞ Ebat 이므로

발전기로 동작하며, 모선에 전류를 공급하고 배터리를 충전한다.

-. 전기자도체에서의 전류방향은 렌쯔의 법칙과 자속집중법칙에 따라 결정된다.

34

436P

전동기 동작

전동기 동작

-. 클러치를 개방하여 원동기를 분리하면 전기자속도가 감소하고, 유기기전력이 감소

-. 속도가 Ebat＞Ea 로 떨어지면, 배터리는 전원으로 동작하여

전기자에 흐르는 전류의 방향을 바꾸고 기기를 전동기로서 동작한다.

-. 전동기로 동작할 때

전기자의 회전방향은 원동기에 의해 발전기로 동작할 때와 같은 방향이 되다.

회전방향은 렌쯔의 법칙과 자속집중의 법칙에 의한다.

35

259P

유기기전력 Ea의 방향은

기기가 전동기로 동작하든지, 발전기로 동작하든지 항상 일정한 방향을 가진다.

자계의 방향과 회전방향이 같기 때문이다.

-. 모든 회전기기(발전기, 전동기)들은 전압을 발생시키면서 토크도 발생시킨다.

-. 발전기로 동작하면, 기기는 전압을 발생시키고

전류로 공급하고 있다면 구동토크와 반대방향으로 역토크(Counter-torque)를 발생

-. 전동기로 동작할 때

기기는 토크를 발생시키고, 만일 축이 회전하고 있다면 구동전압과 반대방향으로

역기전력(Counter-emf, cemf)이라는 역전압(Countervoltage)을 발생시킨다.

-. 전동기, 발전기로 동작할 때

기기는 같은 방향으로 회전하며

운전상태의 변화는 전류계의 전기자전류의 방향으로 확인이 가능할 뿐이다.

36

259P

직류전동기의 역전직류전동기의 회전방향의 역전

전기자에 흐르는 전류의 방향을 바꾸거나 자장의 방향을 바꾸어 줌으로써 역전

전기자전류의 방향을 바꾸어 회전방향을 역전

37

259P

자장의 극성변경이 전동기의 회전방향을 역전시킨다.

전동기의 회전방향은 자속집중법칙에 의해 결정된다.

38

259P

10.11 발생토크유도되는 발생토크, 도체전류, 자속밀도 관계는

직류전동기에서 발생되는 토크는

공극자속밀도와 전기자전류에 비례한다.

39

259P

10.12 기본적인 직류발전기

분권전동기로 기본적인 직류전동기의 등가회로이다.

-. 분권계자권선은 인입선과 병렬로 연결되고, 전기자전류와 상호작용으로

자속을 발생시켜서 토크를 발생시키면서 전동기 동작을 한다.

-. 분권계자는 전기자도체가 회전하도록 매개체로의 역할만 한다.

-. 계자에 공급되는 모든 에너지는

계자권선에서 I2R 손실로 소모된다.

-. 분권계자에는 전동기에 부하가 증가하여도 계자입력 전력은 변화가 없다.

-. 전기자회로에는 전동기축에 부하가 증가할수록 전력이 비례적으로 증가한다.

40

259P

-. 발생토크가 전동기를 회전시키는데 충분하다면

전기자에 유기되는 역기전력은 전기자속도와 공극자속에 비례한다.

-. 식(10-18)을 전기자속도에 대하여 정리하면

식(10-19)에서 주어진 조건에서 직류전동기의 속도는 극자속에 반비례한다.

41

259P

전기자회로에 키르히호프의 전압법칙을 적용하여 전류를 계산하면

42

439P

43

440P

10.13 부하 증가 및 감소시 직류전동기의 과도특성

DC전원

그림 10.13 축에 일정토크부하가 인가되었을 때분권전동기의 동적 동작 등가회로

전동기 변수의 변화

일정한 토크의 부하가 분권전동기의 축에

가해졌을 때 속도, 역기전력, 전기자전류,

발생토크의 과도기적 변화를 나타낸다.

-. 축에 부하가 없다면

발생토크는 마찰손, 풍손, 표류부하손의

합과 같은 값으로 균형을 이룬다.

-. T1시점에 축에 약간의 부하를 증가

Tload ＞ TD가 되고 전기자속도는 감소

44

441P

1. 속도감소는 역기전력을 감소시키고 ⇒ 전기자전류의 증대 ⇒ 발생토크의 증가

2. 전동기의 속도는 계속 감소하며

전기자전류를 증가하여 TD가 축에 걸리는 부하토크와 같아질 때까지

발생토크가 증가한다.

3. t2 시점에 발생토크와 부하토크가 같아지면

속도감소는 멈추고 낮아진 정상상태 속도와 높아진 전기자전류 상태에서 운전한다.

a. 부하가 감소하여 TD ＞ Tload 가 되면 전기자는 가속된다.

속도증가 ⇒ 역기전력 증가 ⇒ 전기자전류 감소 ⇒ 발생토크 감소

b. 전동기가 계속 가속되면

전기자전류는 계속 감소하여 TD = Tload 가 될 때까지 토크를 계속 감소시킨다.

c. 발생토크와 부하토크가 같아지면

d. 속도증가는 멈추고 기기는 높아진 속도와 낮아진 전기자전류로 운전된다.

부하를 증가, 감소시키면 균형이 깨진 토크에 의하여 감속, 가속이 나타난다.

속도변화와 수반되는 역기전력의 감소와 증가는

반대토크와 균형을 맞추는 방향으로 자동으로 전류를 조절하게 된다.

45

441P

10.14 속도변동률(Speed regulation)직류전동기에서 속도변동률은

일정전압원에서 정격전압, 정격온도로 운전하고 있을 때

무부하부터 정격부하까지 속도변화의 정격속도에 대한 백분율이다.

46

441P

47

442P

10.15 직류기에 부하 인가시 전기자 인덕턴스가 정류에 미치는 영향

-. 무부하상태에서 일어나는 정류과정으로 화살표는 전압의 방향만 나타낸다.

-. 전기자에 부하가 연결되지 않으면 전류가 흐르지 않는다.

-. 전기자가 회전하면 2번 코일에 유기되는 전압은 S극과 중립면, N극에 있을때 전압의

방향이 바뀐다.

-. 정류영역은 정류자의 원주상에서 전기자코일이 브러쉬에 의해 단락되는 영역이다.

48

259P

직류기에 부하가 연결되면-. 정류자는 코일이 정류영역을 통과하고 있을 때 코일전압 뿐만 아니라

코일전류를 반대로 하려고 한다.

-. 코일의 인덕턴스가 코일전류의 변화를 지연시켜 매우 짧은기간 동안에

전류를 영으로 떨어뜨리고 반전시키는 것을 방해한다.

정류기간(Commutating period)

전기자코일이 브러쉬에 의하여 단락되는 기간을 의미한다.

49

444P

a b

c

50

442P

-. 그림a에서 코일 2번과 3번이 정류자와 브러쉬를 통해 부하에 전류를 공급한다.

-. 그림b에서 코일 2번이 정류영역을 통과

-. 계자극은 더 이상 코일에 유기기전력을 발생시키지 않으며, 코일은 브러쉬에 의해

단락되고, 전류는 감소하기 시작한다.

-. 감소되는 전류는 렌쯔의 법칙에 따라 자기유도에 의한 유기기전력을 발생하여

변화를 지연시킨다.

-. 코일2번은 전류가 0으로 감소하기 위한 충분한 시간을 갖지 못한 체 그림c의 위치

로 회전해 들어간다.

정류자편 3번이 브러쉬에서 떨어짐에 따라 전류는 갑자기 영으로 되며

정류자편 3번과 브러쉬 사이에 아크를 발생시킬 정도로 큰

자기유도(Self-induction)에 의한 유기기전력이 발생

이러한 현상이 계속되면 정류자와 브러쉬는 큰 손상을 입게 되고, 적절한 조치를

취한 후에야 정상적인 기기의 동작이 이루어진다.

-. 직류기를 성공적으로 운전하려면

매우 짧은 정류기간동안에 어느 한 방향의 전전류를 반대방향의 전전류로

반전 시킬 수 있어야 한다.

51

259P

이상적인 정류

-. 전류가 정류기간 동안 중간지점에서 극성을 바꿀 때 일어난다.

이상적인 정류동작에서는 코일전류는 코일전압과 동상이 된다.

52

444P

10.16 보 극

53

444P

보극 설치 이유

자기유도기전력에 의한 스파크를 감소시키기 위해

좁은 극을 직류기의 중립면에 설치한다.

보극(Interpole) 또는 정류극(Commutating pole)이라 부른다.

직류기 단면에 보이는 보극은

정류작용을 하고 있는 코일에만 영향을 미친다.

보극권선은 보극영역을 통과하는 전기자코일에서 전류를 역전시키기에

충분한 크기의 중립전압(Neutralizing pole)을 발생하도록 설계되었다.

이상적인 정류작용하는 코일에서의 전류 코일이

정류영역에 들어갈 때 감소하기 시작하여

중립면에서 영이 되고 반대방향으로 증가하기 시작하여, 정류영역을 떠날 때,

반대방향으로 전전류가 된다.

54

445P

보극권선은

전기자전류에 비례하는 크기를 가질 수 있도록 전기자와 직렬로 연결되어 있다.

전기자회로의 일부를 구성하며 회로에서 개방되거나 거꾸로 연결되어서는 안 된다.

정확하게 연결하지 않으면 보극권선이 사용되지 않을 때보다, 더 심각한 스파크를

일으키게 된다.

전기자코일의 스팬이 대략 전기각으로 180도 이므로

코일의 양변이 동시에 자기중립면에 들어간다.

코일에 중립전압을 유기시키기 위해

두 개의 보극을 사용하는 대신 한 개의 보극에 권수를 많이 하여 사용하기도 한다.

55

445P

보극의 포화정격부하 또는 그 이하로 운전하고 있을 때

보극자속은 전기자전류에 비례하여 발생하므로 결과로

중립유기기전력은 자기유도기전력과 항상 같은 크기의 반대방향의 값을 가진다.

-. 정격부하 이상으로 운전할 때는 보극이 포화하여

자속은 더 이상 전기자전류에 비례하지 않는다.

보극은 자기유도기전력에 비례하는 반대의 유기기전력을 발생시키지 못하게 되고

브러쉬를 통해 단락회로가 구성될 때

코일에 상대적으로 큰 전류가 흘러 스파크가 발생된다.

56

446P

10.17 전기자반작용(Armature reaction) 원인 :

발전기나 전동기에 부하가 걸리면

전기자코일에 흐르는 전류에 의하여 기자력이 만들어지며

계자극에 의한 기자력과 상호작용하여 공극의 균일한 자속분포를 방해한다.

직류발전기에서의 전기자 반작용의 영향

-. 극간영역에서의 자속은 정류작용을 하는 코일에 전압을 유기하여

브러쉬에 아크를 발생

-. 총극자속의 감소로 바람직하지 않은 전압의 감소

전동기에서의 전기자 반작용의 영향

-. 극간영역에서의 자속은 정류작용을 하는 코일에 전압을 유기하여

브러쉬에 아크를 발생

-. 총극자속의 감소로 의도하지 않은 전동기속도의 증가

57

446P

발전기로 동작할 때 전기자반작용의 영향

발전기로 동작할 때(회전을 방해)

-. 전기자코일에 흐르는 전류에 의해

기자력(Ta)이 발생하고

-. 계자의 기자력(Tf)과 상호 작용하여

-. 합성기자력(Tr)을 형성한다.

그림에서는

하나의 전기자 코일이지만

전기자 주위에 균일한 분포

전기자코일이 회전하면

다른 코일이 그 자리에 오게 되므로

전기자기자력은 항상 그 자리에 형성된다.

전기자반작용의 기자력은

-. 자기중립면을 발전기회전 방향으로 이동

-. 극의 뒷모서리에서는 자속이 증가

58

447P

전기자반작용의 기자력은

-. 자기중립면을 발전기회전 방향으로 이동

-. 극의 뒷모서리(trailing edge)에서는 자속이 증가하고

앞모서리(leading edge)에서는 자속이 감소

-. 극간영역으로 약간의 프린징이 발생

-. 극철의 비선형성으로

뒷모서리의 자속증가량은 앞모서리의 자속감소량보다 적으며 총자속의 감소

-. 전기자기자력에 의한 자속축의 이동은 자기포화와 함께 감자효과를 낳는다.

프린징효과(fringing effect) :

전자석 내부에서 자속이 공기 중으로 나오면서 휘어지거나 퍼지거나 하는 현상

59

447P

보극의 설치로 보극영역에 까지 자속이 퍼지는 것을 막음

60

448P

직류기 공극에서의 총자속직류 전동기, 발전기의 공극에서의 자속은

계자기자력과 전기자반작용에 의한

등가감자기자력(Equivalent demagnatization mmf)으로 표현할 수 있다.

61

448P

10.18 비상수단으로서의 브러쉬의 이동

브러쉬에서의 스파크 원인

-. 전기자 코일의 개방

-. 보극의 손상

-. 브러쉬 압력의 부적절

-. 브러쉬 등급의 부적절

브러쉬 중립설정의 이동

-. 설정의 오류 확인 전에는 스파크를 최소화하기 위해 변경되어서는 안된다.

-. 보극의 결함으로 중립설정의 이동

발전기에서는 회전방향으로, 전동기에서는 반대방향으로 이동하여 스파크를 감소

-. 전기자반작용에 의한 자속의 이동은 전기자전류의 크기에 비례하므로

부하값에 따라 위치를 바꾸어야 한다.

-. 브러쉬의 이동은 반드시 최후의 수단으로 행해야 한다.

-. 브러쉬 위치는 평균부하에서 스파크가 감소되도록 설정한다.

-. 잘못된 중립설정은

작업자에게 위해, 장비의 파손을 가져올 수 있다.

62

449P

정상위치(normal position)

-. 전기자기자력(Ta)는 계자기자력(Tf)에 직각

브러쉬 위치 이동

-. 전기자기자력(Ta)는 계자기자력(Tf)와

반대방향(Td)의 영향을 받아

-. 브러쉬 이동방향(Ta)로 이동한다.자기 중립면에 있는 브러쉬

회전방향으로 이동된 브러쉬

63

450P

10.19 보상권선

전기자반작용의 효과

빠른 회전방향전환이나 급격한 부하변화가 일어나는 장비에서 심하게 나타난다.

전기자자속의 급격한 변화는

변압기동작에 의하여 모든 전기자코일에 순간적으로 높은 과도전압을 유도.

과도전압이 정류자편 사이에 아크를 일으키기에 충분하다면

브러쉬와 정류자 사이에 섬락이 생길 수도 있다.

섬락(Flashover)

큰 폭발음과 함께 과도적인 큰 전류를 의미한다.

작은 섬락은

정류자편에 구멍이 파이게 하며 브러쉬 모서리부분을 국부적으로 소손시킨다.

큰 섬락은

브러쉬 홀더와 정류자편을 녹게 만들며 전기자권선과 코어에도 손상을 준다.

64

448P

섬락을 막기 위해

압연기나 선박의 추진과 같이 크고 빠른 변화를 수반하는 부하를 구동하는 직류기는

극면권선(Pole-face winding)을 갖추고 있어야 한다.

65

259P

보상권선(Compensating winding, 극면권선(Pole-face winding)

-. 전기자와 직렬로 연결

-. 전기자 기자력과 동일한 크기의 반대방향 기자력을 만들어 전기자반작용을 제거

-. 전기자를 둘러싼 큰 코일처럼 작용하며 전기자와 직렬로 연결되어 있다.

-. 보상권선이 있는 기기에서도

정류를 거치는 코일에서의 자기유도에 의한 기자력 제거를 위해 보극은 필요하다.

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-. 전기자 도체의 기자력과 보상권선의

상대적인 전류방향으로

전기자반작용의 상쇄

발전기에서의 보상권선

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-. 전기자 도체의 기자력과

보상권선의 상대적인 전류방향으로

전기자반작용의 상쇄

전동기에서의 보상권선