직류 발전기
작성일 : 2024년 06월 29일 (Saturday)
직류기는 직류를 사용하는 기기를 말한다. 직류기에는 발전기와 전동기가 있다. 먼저, 직류 발전기를 살펴보자.
직류 발전기
발전기는 플레밍 오른손 법칙에 따라 기전력이 생성된다.
발전기의 원리
발전기는 영구자석 사이에 도선을 회전시키면 전류가 생성되는 원리를 이용한 장치이다. 플레밍 오른손 법칙에 따라 방향을 알 수 있다. 먼저 교류 발전기를 살펴보자.
직류
직류발전기의 원리는 영구자석 사이에 기계적인 힘으로 도선을 회전시키면 전기가 발생하고, 회로의 끝에 스피릿 링 (split ring; 정류자) 을 연결하여 직류를 만들어 내는 것이다. 위상이 계속해서 같은 방향이기 때문에 적당히 정류를 하면 직류를 얻을 수 있다.
교류
교류 발전기 역시 직류 발전기와 원리는 거의 비슷하다. 다만, 끝쪽에 연결된 방식이 다른데 이번엔 슬립링(원형으로 되어 있어 회전하면서 연결될 수 있도록 해주는 링)을 통해 항상 연결되어 있는데, 이로 인해 단자에서 보는 전압의 위상이 계속해서 번갈아 나타나며 우리가 알고있는 교류의 형태를 띄게 된다.
직류 발전기 구조
직류 발전기는 전기자, 계자, 정류자, 브러시로 이루어져있다. 전기자는 계자에서 발생된 자속을 끊어서 실제로 기전력을 유도하는 부분이고, 전기자 철심(전기자를 감기위한 철 구조물)은 히스테리시스손을 감소시키기 위해서 규소 강판을 사용하고, 와전류손을 줄이기 위해 얇게 만들어 적층시킨다. 그리고, 계자는 직류 전류를 흘려서 자속을 발생시키는 부분으로 강판을 사용한 계자 철심에 권선을 감은 구조이다. 정류자는 이전에 설명했듯, 교류 기전력을 직류로 변환하는 부분이다. 브러시는 회로와 연결되어 실제로 전기자의 정류자와 연결되어 전기를 공급받는 곳으로 적당한 압력이 있어야 한다. 용도에 따라 적당한 브러시를 사용해야 한다.
전기자 권선법 (Armature Winding)
직류 발전기의 용도에 따라서 전기자 권선을 달리 해야 한다. 간단하게 설명하면, 다음과 같다.
- 전기자 권선법
- 환상권 : 전기자 철심이 관형태로 되어 있어서 내부로 감는 형태. 제작이 어렵고 그로 인한 부작용이 많아 사용하지 않음.
- 고상권 : 전기차 철심 겉에만 감는 형태
- 개로권 : 각 턴마다 새로운 도선을 사용하고 마지막에 용접하는 형태. 제작성이 떨어져 사용하지 않음.
- 폐로권 : 하나의 도선으로 한 번에 감는 형태.
- 단층권 : 1번만 감는 법. 당연히 2번 감는 것이 훨씬 더 경제적이기에 쓰이지 않는다.
- 이층권 : 2번 감는 법
- 중권 (Lap Winding) : 병렬 구조로 전압은 그대로 두면서 파워를 늘릴 수 있음. (저전압 대전류)
- 파권 (Wave Winding) : 직렬 구조로 파워는 그대로 두면서 전압을 늘릴 수 있음. (고전압 소전류)
중권
하나의 정류자 편에 하나의 코일만 연결되어 있는 병렬 구조로 전류량은 늘릴 수 있지만 전압은 늘어나지 않는다. 즉, 병렬회로 개수만큼 정류자 편/브러시가 필요하다. 단점으로는 모두 병렬이기 때문에 4극 이상 사용하는 경우에는 위상을 맞춰주기 위한 균일환이 필요하다는 단점은 존재한다.
파권
두개의 정류자 편에 모든 코일이 연결되는 직렬 구조로 전압을 늘릴 수 있다. 두개의 정류자 편에 감기 때문에 위상이 동일하여 균일환이 불필요하다.
직류 발전기의 유기기전력 (EMF)
기전력은 회로가 일정전압을 유지하기 위한 힘이다. 공식은 다음과 같다.
$$ E = \frac{pZ\phi}{60a} N $$
위에서 p는 계자의 극수, Z는 전기자 도체수(코일수), a는 전기자 병렬 회로수, $\phi$는 전기자 권선과 쇄교하는 극당 자속(Wb)을 말한다.
전기자 반작용 (commutation)
전기자에 전류가 생성되며 계자의 자속을 방해하는 자속을 만들어 내게 되는데, 이를 전기자 반작용이라고 한다. 전기자 반작용에 의해서 계자의 자속 분포가 일그러져 중성축이 이동하고, 자속을 감소시켜 기전력의 크기를 감소시키게 된다. 또한, 정류자 편간 전압차를 만들어 내서 전류가 흐르게 하고 이로 인해 브러시가 소손되며 정류가 불량하게 된다. 전기자 반작용에 의한 악영향을 감소시키기 위해 보상 권선을 설치하거나 보극을 설치해야 한다.
보상 권선
방법은 계자 철심에 구멍을 뚫어 전기자 전류와 반대방향으로 전류를 흐르게 하는 것이다. 가장 효과적인 방법이다.
보극 설치
계자 철심과 90도 차이나는 곳에 전기자 권선으로 만든 보극을 설치하는 것으로 보상권선보다 비경제적이다.
정류
위에서 말했듯, 발전기에 의한 전류는 원래 교류이다. 정류의 원리는 두개의 정류자 편이 하나의 브러시에 연결되도록 하는 것이다. 즉, 두개의 코일이 하나의 코일에 연결되므로(단락), 하나는 파형이 끝나가는 쪽, 하나는 파형이 시작하는 쪽이 더해지면서 정류가 되는 원리이다. 두 코일의 파형이 다르다 보니 단락과정에서 불꽃이 발생할 수도 있는데 이를 방지하기 위해 브러시의 저항을 높이면 전류의 양을 낮출 수 있고, 혹은 인덕턴스를 줄이기 위해 단절권을 적용하거나, 코일에 의해 발생하는 기전력은 $e = L\frac{di}{dt}$ 이므로 회전을 느리게 하면 불꽃을 낮출 수 있다. 하지만, 이 경우 전압이 낮아지므로 용도에 맞게 잘 설계하는 것이 필요하다.
정류시 하나의 코일의 전류에 따라 부족 정류, 정현 정류, 과 정류로 구분할 수 있다. 아래의 그림에서 2번이 부족 정류, 3번이 정현 정류, 4번이 과 정류이다. 부족 정류는 각각 코일에 걸린 전류(자속의 형태로)가 다 소모되지 못하고 남아있는 상태, 과 정류는 반대로 너무 과하게 빨리 소진되어 다음 코일의 전류가 이미 직전 코일로 넘어와 역전된 상황을 말한다. 딱 적당히 정류가 된다면 3번 형태의 정현 정류가 되게 된다. 부족 정류는 브러시의 이동방향의 반대방향의 끝에 불꽃이 발생하게 되고, 과 정류는 브러시의 가장 앞단에 불꽃이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해선 위에서 설명한 대로 저항, 인덕턴스를 다시 고려해보거나 회전속도를 조절하면 된다.
정류시에는 양호한 정류를 위해 정류자 편 사이의 거리(b), 브러시의 폭($\sigma$), 정류자의 회전속도(v)를 고려하여야 한다.
정류주기는 다음과 같이 구할 수 있다. ($T = \frac{b - \sigma}{v}$)
여자 방식에 따른 분류
발전기는 용도에 따라서 여자방식을 달리한다. 자여자 발전기는 잔류 자기가 없는 경우 발전이 중지된다는 단점이 존재한다. 즉, 발전을 위해선 외부에서 자속을 재인가해주어야 한다.
- 타여자 발전기 : 영구자석 혹은 외부에서 발생시킨 자속을 사용하는 발전기
- 자여자 발전기 : 계자회로를 이용하여 직접 자속을 만드는 발전기
- 분권 발전기
- 직권 발전기
- 복권 발전기
- 차동 복권 발전기
- 가동 복권 발전기
- 평복권
- 과복권
- 부족복권
타여자 발전기
타여자 발전기는 외부의 회로에서 자속을 흘려주는 방식으로 외부의 계자회로에서 타여자 발전기에 인가하기 위해 필요하 기전력 $\varepsilon$은 발전기의 단자 전압 V에 전기자에 흐르는 전류 $I_a$에 전기자의 저항 $R_a$을 곱하여 더한 값이다. ($\varepsilon = V + I_a R_a$)
그리고 전기자 전류와 부하는 직렬이므로 전류의 크기가 같아서 전기자 전류는 발전기의 출력이 P라고 할 때, P/V로 정리된다.
타여자 발전기는 대형 교류 발전기 혹은 직류 전동기 속도 조절용으로 쓰인다.
자여자 발전기
자여자 발전기는 분권, 직권, 복권으로 나뉜다. 분권은 전기자와 계자가 병렬로 접속된 형태, 직권은 전기자와 계자가 직렬로 접속된 형태, 복권은 계자가 2개인 형태로 전기자와 분권/직권인 계자를 각각 1개씩 지닌 형태를 말한다. 복권에서 분권 계자의 연결방법에 따라 내분권, 외분권으로 다시 분류되고, 직권인 계자의 자속의 연결 방향에 따라 가동 복권, 차동복권으로 또 다시 분류된다. 자세한 내용은 아래를 참고하자.
분권 발전기
분권 발전기의 형태는 다음과 같다. 기전력, 전기자 전류는 타여자 발전기에서 설명한 내용과 동일하므로 이 부분은 생략한다. 병렬이기 때문에 부하가 없이도 전류가 흐를 수 있는 경로가 있어서 무부하 운전이 가능하다는 특징이 있다.
직권 발전기
직권 발전기의 형태는 다음과 같다. 직권 발전기는 부하를 포함하여 모두 직렬이기 때문에 무부하시 계자전류가 흐르지 않아 발전이 불가능하다는 특징이 있다. 그리고, 직렬회로이기 때문에 계자 전류가 커서 자속의 양이 많아 발전량이 높지만, 부하에 따라 전압 변동이 심하다는 단점이 존재한다. 따라서, 여러가지 부하를 연결해서 사용하는 용도로는 부적절하고 간단한 회로의 형태를 이용하여 하나의 부하를 구동하는데 효과적이다.
직권 발전기의 기전력, 전기자 전류는 다음과 같다. 사실 회로를 보면 당연한 결과다.
$$ E = V + I_a R_a + I_s R_s $$
$$ I_a = I_s = I = \frac{P}{V} $$
복권 발전기
복권 발전기는 무부하 운전이 불가능한 직권 발전기의 단점을 개선한 형태라고 볼 수 있다. 즉, 무부하 운전이 가능한 직권 발전기라고 볼 수 있다. 그리고, 내분권/외분권에 따라서 달라지는 특징은 다음과 같다.
내분권 복권 발전기는 직권 계자 직전에서 회로를 분기해서 분권 계자로 전류를 흘려주는 방식으로 발전량이 늘어나서 대용량 발전기에 유리하다. 외분권 복권 발전기는 계자 전류는 조금 작아지지만, 직권 계자가 단락되면 분권 발전기로 사용 가능하고, 분권 계자가 개방되면 직권 발전기로 사용할 수 있어 고장 발생 시 대응에 유리한 측면을 가진다.
내분권/외분권에 따른 분류 외에도 직권계자와 분권계자의 가동연결/차동연결에 따라 가동복권 발전기, 차동복권 발전기로도 분류가 된다. 가동복권 발전기는 두 계자에 의해서 자속이 더해지는 형태, 차동복권 발전기는 반대로 자속이 제거되는 형태를 말한다. 즉, 양성 피드백, 음성 피드백 회로가 만들어진다고 볼 수 있는데 차동복권 발전기는 부하가 증가할 수록 자속을 낮춰서 전류가 어느정도 일정해지도록 제어할 수 있는 특성을 지닌다. (수하 특성) 가동복권 발전기는 부하가 증가할수록 자속을 높여서 전압을 일정하게 제어하는 특성을 지닌다. 만약, 직권 계자에 의한 자속이 너무 많아서 계속해서 단자전압이 증가하는 경우를 과복권, 전압이 일정하게 유지되는 경우를 평복권, 단자전압이 조금씩 감소하는 경우 부족복권이라고 한다.
발전기 병렬운전
병렬 운전시 유기 기전력이 큰 발전기가 모든 부하를 분담하게 되므로 균압선을 설치해서 운영해야 병렬 운전을 안전하게 할 수 있다.
