교류 발전기

교류 발전기는 기계 에너지를 교류 ^[2]형태의 전기 에너지로 변환하는 전기 발전기입니다.비용과 단순성을 이유로 대부분의 교류 발전기는 고정 전기자가 ^[3]있는 회전 자기장을 사용합니다.때때로 선형 교류 발전기 또는 정지 자기장을 가진 회전 전기자를 사용한다.원칙적으로 교류 발전기는 교류 발전기라고 불릴 수 있지만, 일반적으로 이 용어는 자동차 및 기타 내연기관으로 구동되는 작은 회전 기계를 가리킵니다.

영구 자석을 자기장으로 사용하는 교류 발전기는 자기장이라고 불린다.증기 터빈에 의해 구동되는 발전소의 교류 발전기는 터보 교류 발전기라고 불린다.발전소의 대형 50 또는 60Hz 3상 교류 발전기는 전력망에 ^[4]의해 분배되는 세계 전력의 대부분을 생산한다.

역사

교류 발전 시스템은 1830년대에 전류의 자기 유도를 발견한 이후 단순한 형태로 알려져 있었다.회전 발전기는 자연적으로 교류 전류를 발생시켰지만, 그 용도가 거의 없었기 때문에 ^[8]발전기에 정류자를 추가하여 직류 전류로 변환되었다.초기의 기계는 마이클 패러데이나 히폴리트 픽시 같은 선구자들에 의해 개발되었다.패러데이는 "회전하는 직사각형"을 개발했는데, 이 직사각형은 이극성이었고, 각각의 활성 도체는 자기장이 반대 ^[9]방향으로 있는 영역을 연속적으로 통과했습니다.Lord Kelvin과 Sebastian Feranti는 또한 100~300Hz의 주파수를 생성하는 초기 교류 발전기를 개발했습니다.

1870년대 후반에는 중앙 발전소가 있는 최초의 대규모 전기 시스템이 도입되어 아크 램프를 작동시켰으며, 거리 전체, 공장 야드 또는 대형 창고 내부를 밝히는 데 사용되었습니다.1878년에 도입된 야블로치코프 아크 램프와 같은 일부 램프는 교류에서 더 잘 작동했고, 이러한 초기 AC 발전 시스템의 개발은 "대체기"^[10][8]라는 단어를 처음 사용하면서 동반되었다.이러한 초기 시스템에서 발전소에서 적절한 양의 전압을 공급하는 것은 "부하 주행"^[11]에 있어 엔지니어의 기술에 맡겨졌습니다.1883년 Ganz Works는 실제 ^[13]부하 값에 관계없이 규정된 출력 전압을 생성할 수 있는 정전압^[12] 발생기를 발명했습니다.1880년대 중반 변압기의 도입으로 교류는 널리 보급되었고 ^[14]교류는 이를 생산하기 위해 필요한 교류 발전기를 사용하게 되었다.1891년 이후 다상 교류 발전기가 도입되어 여러 ^[15]상류의 전류를 공급하게 되었다.이후 교류 발전기는 아크 조명, 백열 조명 및 전기 ^[16]모터에 사용할 수 있도록 16~100헤르츠 사이의 다양한 교류 주파수를 위해 설계되었습니다.알렉산더슨 교류발전기와 같은 특수한 무선 주파수 교류기는 제1차 세계대전 전후 장파 무선 송신기로 개발되어 진공관 송신기가 이를 대체하기 전에 몇몇 고출력 무선 전신국에서 사용되었다.

작동 원리

자기장에 대해 상대적으로 이동하는 도체는 그 안에서 기전력(EMF)을 발생시킵니다(패러데이의 법칙).이 EMF는 반대 극성의 자극 아래에서 이동할 때 극성을 반전시킵니다.일반적으로 로터라고 불리는 회전 자석은 스테이터라고 불리는 철심의 코일에 감긴 고정된 일련의 도체 안에서 회전합니다.기계적 입력으로 인해 로터가 회전하기 때문에 자기장이 도체를 절단하여 유도 EMF(기전력)를 생성합니다.

회전 자기장은 스테이터 권선에 AC 전압을 유도합니다.스테이터 권선의 전류는 로터의 위치에 따라 변화하므로 교류 발전기는 동기식 ^[3]발전기입니다.

로터의 자기장은 영구 자석 또는 필드 코일 전자석에 의해 생성될 수 있습니다.차량용 교류 발전기는 로터 권선을 사용하여 로터 필드 권선의 전류를 변화시켜 교류 발전기의 발생 전압을 제어합니다.영구 자석 기계는 로터의 자화 전류에 의한 손실을 피하지만 자석 재료의 비용으로 인해 크기가 제한됩니다.영구 자석장이 일정하므로 단자 전압은 제너레이터 속도에 따라 직접 달라집니다.브러시리스 AC 발전기는 일반적으로 자동차 용도로 사용되는 발전기보다 큽니다.

자동전압제어장치는 출력전압을 일정하게 유지하도록 계자전류를 제어한다.수요 증가로 인해 고정 전기자 코일의 출력 전압이 떨어지면 전압 레귤레이터(VR)를 통해 더 많은 전류가 회전 필드 코일로 공급됩니다.그러면 필드 코일 주변의 자기장이 증가하여 전기자 코일에 더 큰 전압이 유도됩니다.따라서 출력 전압이 원래 값으로 돌아갑니다.

또한 중앙 발전소에서 사용되는 교류 발전기는 계자 전류를 제어하여 무효 전력을 조절하고 순간적인 고장의 영향으로부터 전력 시스템을 안정시킵니다.회전 자기장이 3상 전류를 생성하도록 물리적으로 오프셋되는 스테이터 권선이 3세트 있는 경우가 많습니다.^[17] 이 전류는 서로에 대해 주기의 1/3만큼 변위됩니다.

동기 속도

한 쌍의 계자 극이 정지 권선의 한 지점을 지날 때마다 1사이클의 교류 전류가 생성됩니다.속도와 주파수의 관계는 $N{\displaystyle }$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \mathrm{120f}}$/$$ {\$displaystyle$ N$=120f/P$입니다. $여기$서$$f {\$displaystyle$ f$}$는 주파수(초당 사이클)입니다.$(\displaystyle$ P$)$는 극 수(2, 4, 6, …)이며 N$(\displaystyle$ N$)$은 분당 회전수(r/min)입니다.교류 시스템에 대한 매우 오래된 설명은 각 반주기를 하나의 대안으로 간주하여 분당 교대로 주파수를 제공하는 경우가 있습니다. 따라서 분당 12,000번의 교대는 100Hz에 해당합니다.

교류 발전기의 출력 주파수는 극의 수와 회전 속도에 따라 달라집니다.특정 주파수에 대응하는 속도를 해당 주파수의 동기 속도라고 합니다.다음^[18] 표에 몇 가지 예를 나타냅니다.

폴스	회전 속도(r/min)는 다음과 같습니다.
	50Hz	60Hz	400Hz
2	3,000	3,600	24,000
4	1,500	1,800	12,000
6	1,000	1,200	8,000
8	750	900	6,000
10	600	720	4,800
12	500	600	4,000
14	428.6	514.3	3,429
16	375	450	3,000
18	333.3	400	2,667
20	300	360	2,400
40	150	180	1,200

분류

교류발전기는 여자방법, 위상수, 회전유형, 냉각방법 및 용도에 ^[19]따라 분류할 수 있다.

들뜸에 의해

교류 발전기에 사용되는 자기장을 생성하는 방법은 영구 자석을 사용하는 방법과 필드 코일을 사용하는 방법 중 두 가지가 있습니다.영구 자석을 사용하는 교류 발전기는 특별히 마그네토라고 불립니다.

다른 교류발전기에서는 권선장 코일이 전자석을 형성하여 회전자계를 생성한다.

영구 자석을 사용하여 교류 전류를 생성하는 장치를 영구 자석 교류 발전기(PMA)라고 합니다.영구 자석 발생기(PMG)는 교류 또는 정류자가 있는 경우 직류를 발생시킬 수 있습니다.

직결 직류(DC) 발전기

이 여자 방법은 교류 발전기와 같은 축에 고정된 더 작은 직류(DC) 제너레이터로 구성됩니다.DC 제너레이터는 연결된 교류 발전기의 계자 코일을 자극하여 전기를 발생시킬 수 있을 정도로 소량의 전기를 생성합니다.이 시스템의 변형은 배터리로부터의 직류를 기동시의 초기 여자용으로 사용하고, 그 후에 교류 발전기가 자기 ^[19]여자화 되는 교류 발전기의 일종이다.

변환 및 수정

이 방법은 약한 전압을 발생시킬 수 있는 약한 자기장을 생성하기 위해 철심에 남아있는 잔류 자성에 의존합니다.이 전압은 교류 발전기의 필드 코일을 자극하여 축적 프로세스의 일부로 더 강한 전압을 생성하는 데 사용됩니다.초기 AC 전압 상승 후 교류 ^[19]발전기에서 정류된 전압이 필드에 공급됩니다.

브러시리스 교류발전기

브러시리스 교류발전기는 하나의 축에 엔드 투 엔드로 조립된 2개의 교류발전기로 구성된다.1966년까지 교류발전기는 ^[20]회전장이 있는 브러시를 사용했다.반도체 기술의 발달로 브러시리스 교류발전기가 가능해졌다.소형 브러시리스 교류 발전기는 하나의 유닛처럼 보일 수 있지만 대형 버전에서는 두 부품을 쉽게 식별할 수 있습니다.두 섹션 중 큰 섹션이 메인 교류 발전기이고 작은 섹션이 여자 발전기입니다.여기에는 고정 자기장 코일과 회전 전기자(전원 코일)가 있습니다.주 교류 발전기는 회전 필드 및 고정 전기자가 있는 반대 구성을 사용합니다.회전 정류기 어셈블리라고 하는 브리지 정류기가 로터에 장착됩니다.브러시도 슬립링도 사용하지 않기 때문에 마모 부품의 수가 줄어듭니다.주 교류 발전기에는 위에서 설명한 것과 같은 회전장과 고정 전기자(발전 권선)가 있습니다.

정지된 여자이터 필드 코일을 통해 전류량을 변경하면 여자이터의 3상 출력이 달라집니다.이 출력은 로터에 장착된 회전 정류기 어셈블리에 의해 교정되며, 결과적으로 DC가 주 교류 발전기의 회전장과 그에 따른 교류 발전기 출력을 공급합니다.그 결과 작은 DC 여자 전류가 주 교류 ^[21]발전기의 출력을 간접적으로 제어합니다.

단계 수별

교류 발전기를 분류하는 또 다른 방법은 출력 전압의 위상 수에 따라 분류하는 것입니다.출력은 단상 또는 다상일 수 있습니다.3상 교류 발전기가 가장 일반적이지만 다상 교류 발전기는 2상, 6상 또는 ^[19]그 이상일 수 있습니다.

부품 회전으로

교류 발전기의 회전 부분은 전기자 또는 자기장이 될 수 있습니다.회전 전기자 유형은 로터에 전기자가 감겨 있으며, 여기서 권선이 정지된 자기장을 통과합니다.회전 전기자 타입은 자주 ^[19]사용되지 않습니다.회전장 유형은 로터에 고정 전기자 권선을 통해 회전하는 자기장이 있습니다.이 경우 로터 회로는 전기자 회로보다 훨씬 적은 전력을 전달하므로 슬립 링 연결부가 작고 비용이 적게 든다는 장점이 있습니다. 직류 로터에는 2개의 접점만 있으면 되는 반면, 로터 권선은 종종 3상 및 여러 섹션이 있어 각각 슬립 링 연결부가 필요합니다.고정 전기자는 최대 수만 볼트의 편리한 중전압 레벨에서 감을 수 있습니다. 수천 볼트 이상의 슬립 링 연결부는 비용이 많이 들고 불편합니다.

냉각 방법

대부분의 교류 발전기는 외부 공기에 의해 냉각되며, 교류 발전기를 구동하는 동일한 샤프트에 부착된 팬에 의해 인클로저를 통해 냉각됩니다.트랜짓 버스와 같은 차량에서는 전기 시스템에 대한 수요가 많아 오일 ^[22]냉각을 위한 대형 교류 발전기가 필요할 수 있습니다.해양 용도에서는 수냉식도 사용됩니다.고가의 자동차는 높은 전기 시스템 수요를 충족시키기 위해 수냉식 교류 발전기를 사용할 수 있습니다.

특정 응용 프로그램

발전기

대부분의 발전소는 동기식 기계를 발전기로 사용한다.이러한 제너레이터를 유틸리티 그리드에 연결하려면 동기화 조건이 ^[23]충족되어야 합니다.

자동차용 교류 발전기

교류 발전기는 현대의 내연기관 자동차에서 배터리를 충전하고 엔진이 작동 중일 때 전기 시스템에 전원을 공급하기 위해 사용됩니다.

1960년대까지 자동차는 정류자가 달린 직류 발전기를 사용했다.저렴한 실리콘 다이오드 정류기를 사용할 수 있게 되면서 교류 발전기가 대신 사용되었습니다.

디젤 전기 기관차 교류 발전기

이후 디젤 전기 기관차와 디젤 전기 다중 유닛에서 원동기는 교류 발전기를 회전시켜 트랙션 모터(AC 또는 DC)에 전기를 공급합니다.

일반적으로 트랙션 교류 발전기에는 실리콘 다이오드 정류기가 통합되어 트랙션 모터에 최대 1,200V DC를 공급합니다.

최초의 디젤 전기 기관차와 아직 운행 중인 기관차의 대부분은 실리콘 파워 일렉트로닉스 이전에는 직류 견인 모터의 속도를 제어하기가 더 쉬웠기 때문에 직류 발전기를 사용합니다.이들 중 대부분은 두 개의 발전기를 가지고 있었는데, 하나는 더 큰 주 발전기의 여자 전류를 생성하기 위한 것이었다.

선택적으로, 발전기는 또한 전기 열차 난방을 위한 헤드엔드 전력 (HEP) 또는 전원을 공급합니다.HEP 옵션은 기관차가 움직이지 않을 때에도 엔진 속도를 일정하게 유지해야 하며, 일반적으로 480V 60Hz HEP 애플리케이션의 경우 900r/min입니다.

선박용 교류 발전기

요트에 사용되는 해양 교류 발전기는 소금물 환경에 적절히 적응한 자동차 교류 발전기와 유사하다.선박용 교류 발전기는 브러시 스파크가 엔진룸 환경에서 폭발성 가스 혼합물을 점화하지 않도록 방폭(점화 보호)하도록 설계되어 있습니다.설치된 시스템의 유형에 따라 12 또는 24V가 될 수 있습니다.대형 해양 디젤은 현대 요트의 과도한 전기 수요에 대응하기 위해 두 개 이상의 교류 발전기를 가질 수 있습니다.단일 교류 발전기 회로에서는 분할 충전 다이오드(배터리 아이솔레이터) 또는 전압 감지 릴레이를 사용하여 엔진 시동 배터리와 가정용 또는 가정용 배터리(또는 배터리) 사이에서 전원을 분배할 수 있습니다.대형 주택용 배터리 뱅크의 높은 비용 때문에, 선박용 교류 발전기는 일반적으로 외부 조절 장치를 사용합니다.다단계 조절기는 필드 전류를 제어하여 충전 효과(충전 시간)와 배터리 수명을 극대화합니다.다단계 조절기는 다양한 배터리 유형에 맞게 프로그래밍할 수 있습니다.두 개의 온도 센서를 추가할 수 있습니다. 하나는 충전 전압을 조절하는 배터리용이고 다른 하나는 실제 교류 발전기의 과열 센서를 사용하여 과열로부터 보호할 수 있습니다.

무선 교류 발전기

가변유연성 유형의 고주파 교류 발전기는 저주파 무선 대역의 무선 전송에 상업적으로 적용되었습니다.이것들은 모스 부호의 전송과 실험적으로 음성과 음악의 전송에 사용되었다.알렉산더슨 교류발전기는 계자권선과 전기자권선이 모두 정지하고 있으며, 전기자에 전류가 유도되는 것은 로터의 자기저항변화(권선 또는 통전부가 없음)에 의한 것이다.그러한 기계들은 비록 효율이 낮았지만, 무선 전송을 위해 무선 주파수 전류를 생성하도록 만들어졌습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

외부 링크

• White, Thomas H. "교류발전기-변속기 개발(1891–1920)"EarlyRadioHistory.us 를 참조해 주세요.
• 통합출판사의 교류발전기(TPub.com)
• 미국 콜로라도주 포트 콜린스, ForceField, Wooden Low-RPM 교류발전기
• WindStuffNow의 3상 교류기 이해
• 교류 발전기, 아크 및 스파크. 최초의 무선 송신기(G0UTY 홈페이지)