직류발전기

직류발전기(直流發電機, Direct Current generator)는 기계에너지를 직류의 전기에너지로 변환시키는 장치이다.

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개요

직류발전기는 직류 전압을 발생하는 발전기이다. 하나의 코일을 자기장 속에서 회전하면 반회전 때마다 반대 방향의 자기력선을 끊고, 이에 따라 반대 방향의 전류가 얻어지는데, 코일의 양끝을 정류자에 접속하고, 고정시킨 두 개의 브러시에 접촉시켜서 일정 방향의 전류를 얻는 장치를 직류발전기라고 한다. 계자의 여자 전류는 자체의 유기 기동력에서 공급되는데, 계자의 여자 방식에 따라 분권식, 직권식, 복권식의 세 종류가 있다. 특수한 직류발전기로, 정류할 필요가 없는 단극(單極) 발전기라는 것이 있다. 구리의 원통을 고속도로 회전시키면 양·음 브러시 사이에 기전력이 생긴다. 이것은 완전한 직류이다. 단극식에서는 높은 기전력을 얻기는 곤란하며, 최고 수십 V밖에 얻을 수 없다. 그러나 전류는 10만 A 이상의 것도 있다.

원리

자극(magnetic pole)이 만든 자장 내에서 루프 코일(loop coil) 즉, 전기자(또는 전기자 코일)를 회전시켜 자속을 끊으면(쇄교하면) 코일에 전압이 유도된다. 이때 코일이 자속과 직각으로 쇄교하는 정도가 가장 큰 곳에서 높은 전압이 유도된다. 반대로 코일이 자속과 쇄교하지 않으면 전압이 유도되지 않는다. 코일이 1회전하는 동안에, 코일이 회전함에 따라 코일을 관통하는 자속의 방향이 변화하므로, 유도기전력의 방향도 변화한다. 즉, 직류발전기의 전기자(코일)에는 사인파 교류전압이 유도된다. 코일(전기자)의 양단을 전기자 축에 설치된 2개의 슬립링(slip ring) 과 각각 연결하고, 슬립링에는 각각 카본-브러시를 접촉시킨다. 외력으로 전기자를 회전시키면 브러시를 통해 교류전압을 얻을 수 있다. 2개의 슬립링 대신에, 1개의 슬립링을 두 조각으로 하여 한 쌍의 정류자 편(commutator segment)으로 하면, 전기자 코일이 회전할 때마다 브러시와 접촉하는 정류자편이 바뀐다. 이렇게 되면 브러시에는 교류 대신에 심하게 맥동하는 직류전압이 유도된다. 즉, 정류자(commutator : Stromwender)는 정류기와 같은 기능을 한다. 맥동이 적은 직류전압을 유도하기 위해서 정류자편이 접속하는 전기자 코일의 수를 증가시켜, 브러시와 접촉할 때 직류로 정류되도록 한다. 이 경우 브러시와 접촉되지 않은 코일에서 유도된 전압은 이용할 수 없다. 이와는 반대로 전기자 코일을 직렬로 결선하면, 각 전기자코일에 유도된 전압이 동시에 합성된다. 따라서 1개의 전기자 코일에 유도된 전압이 낮을 경우에도 발전기의 총 전압은 높아진다. 그리고 한 쌍의 정류자편에 접속되는 전기자코일의 수를 증가시키면 유도전압은 더욱 상승하게 된다. 코일의 자속변화가 빠르면 빠를수록 유도전압은 상승한다. 즉, 직류발전기의 전압은 회전속도와 여자전류(excited current)가 증가함에 따라 상승한다.

구조

• 계자(Field magnet) : 고정자자석을 말한다. 직류전동기나 직류발전기나 목적에 맞는 동작을 하기 위해서는 모두 자기장, 다시 말해 자속이 필요하다. 즉 자속이 없으면 직류전동기는 회전하지 않아 동력을 낼 수 없고, 직류발전기는 발전할 수 없다. 이때 이 자속을 만들어주는 부분이 바로 계자이다. 영구자석을 이용할 수도 있고 전자석을 이용할 수도 있는데, 공장과 같은 산업체등에 쓰이는 직류전동기는 대부분 전자석을 이용한다. 왜냐하면 전자석은 전류의 세기에 따라 자속을 변화시킬 수 있기 때문에 전동기의 속도 및 발전기의 발전전압을 조정할 수 있기 때문이다.
• 전기자(Armature) : 주요 전류가 흐르는 부분을 말한다. 전동기에서는 이 전기자에 외부로부터 공급하는 전류가 흐른다. 이 전기자에 흐르는 전류는 계자에서 만든 자속과 상호작용하여 플레밍의 왼손 법칙에 의해 전기자가 힘을 받아 회전하게 된다. 발전기에서는 이 전기자가 회전하면 계자에서 만든 자속과 상호작용하여 플레밍의 오른손 법칙에 의해 전기자에 기전력이 발생하며 전류가 흐른다. 즉, 직류기에서는 축과 연결되어 회전하는 회전자 중 하나이다.
• 정류자(Commutator) : 전동기에서는 직류를 교류로 변환해주는 부품이며, 발전기에서는 교류를 직류로 변환해주는 부품이다. 이 부품이 있기 때문에 직류전동기는 직류전원으로 운전할 수 있으며, 직류발전기는 직류전기를 발생시킬 수 있다. 사실 직류기가 교류를 사용하는 전기기기인 동기기와 다른 점은 전기자와 회전자 하나 차이이다. 전동기는 전기자와 축이 붙어 있어 같이 회전한다.
• 브러시(Brush) : 정류자와 접촉해 있는 고정자이며 열심히 회전하는 회전자와는 달리 외부 회로와 붙어있기 때문에 동작 중에도 가만히 있는다. 전기자와 정류자로 이루어진 직류기의 내부 회로와 외부 회로를 연결하는 역할을 한다. 정류자는 회전하는데 브러시는 정지하고 있기 때문에 이 부분은 엄청난 마찰이 있으며 스파크도 많이 발생한다. 따라서 이 부분이 고장이 매우 잘 발생한다. 강도가 높고 내열성이 커야 하며, 적당한 접촉저항을 가지게 하여 정류자를 손상시키지 않아야 한다. 종류로는 탄소브러시, 전기흑연브러시, 금속흑연브러시 등이 있다.

유도기전력

직류발전기의 유도전압 $\mathrm {U} _{0}$는 다음과 같다.

$\mathrm {U} _{0}=\mathrm {k} \cdot \phi \cdot \mathrm {n}$

위 식에서

$\mathrm {U} _{0}$ : 유도전압[V]

$\mathrm {k}$ : 상수

$\phi$ : 각 극의 유효자속[Wb 또는 Vs]

$\mathrm {n}$ : 전기자 회전속도[1/s]

위 식에서 k는 계자 자극수(p), 전기자코일의 권수(z)와 권선방법(예: 전기자 권선의 병렬회로 수 a) 등에 의해서 결정되는 상수로서, 같은 분권식일지라도 크기와 형상에 따라 각각 다르다.

$\mathrm {k} =(\mathrm {p\cdot z} )/\mathrm {a} \quad \mathrm {a} {a=k \choose a=2}$

발전기에 부하가 걸리면 내부전압강하가 발생하므로 단자전압은 낮아지게 된다.

$\mathrm {U} =\mathrm {U_{0}} -({I_{a}}\cdot {R_{i}})$

위 식에서

$\mathrm {U}$: 단자 전압[V]

$\mathrm {U_{0}} U0$ : 무부하 단자전압 또는 유도전압[V]

${I_{a}}$ : 전기자 전류[A]

${R_{i}}$: 전기자 총 저항[Ω]

특성

기본 회로

직류발전기의 기본회로는 그림 1-133과 같이 여자(excite)방식에 따라 자여자(self excited) 방식과 타여자(separated excited)방식으로 구분한다. 타여자 방식은 별도의 외부전원을 이용하여 계자자속을 발생시키는 방식으로 대형발전기에서 볼 수 있는 방식이다. 자여자 방식은 계자자극(magnetic pole)의 잔류자기(residual magnetism)를 기초로 하여, 발전기 자체에서 발생된 전압으로 계자자속을 형성시키는 방식이다. 전기자코일과 계자코일의 접속방법에 따라 직권식(series winding : Reihenschluss), 분권식(shunt winding : Nebenschluss) 및 복권식(compound winding : Doppelschluss)으로 구분한다. 직권식은 부하변동에 따른 단자전압의 변동이 심하기 때문에 발전기로 사용되지 않는다. 복권식 발전기는 부하변동에 관계없이 거의 일정한 단자전압을 얻을 수 있으나, 자동차용으로는 거의 사용되지 않는다. 자동차에 사용되고 있는 자여자 분권발전기에 대해서만 설명한다.

분권발전기

계자코일과 전기자 코일이 병렬로 연결된 방식으로 두 코일에 인가된 전압이 같다. 그리고 계자전류는 주로 단자전압의 영향이 크며, 전기자 전류의 영향은 아주 적게 받는다. 부하가 증가함에 따라 내부전압강하(IaㆍRi)가 증가하므로, 단자전압(U)이 낮아진다. 단자전압이 낮아지면 계자전류(If)가 감소하고, 따라서 유도전압(U0)은 서서히 감소한다. 이처럼 분권 발전기는 부하가 증가함에 따라 단자전압이 약간 하강하는 특성을 가지고 있다. 직류 분권발전기는 자동차 충전발전기로 사용된다. 그러나 오늘날 거의 대부분의 자동차가 충전발전기로 3상 교류발전기를 채용하고 있다. 따라서 특수한 경우를 제외하면 직류 분권발전기도 자동차에는 거의 사용되지 않는다.

활용

사실 직류발전기는 교류발전기에 비해 많이 쓰이지는 않는 기기이다. 직류발전기는 다른 교류발전기에 비해 정류자와 브러시가 추가로 붙는다는 단점이 있다. 직류발전기 고장의 많은 경우가 브러시 문제라는 것을 생각한다면 꽤나 큰 문제이다. 직류전동기를 이용하려면 직류전원을 공급해야 하는데, 가정이나 공장이나 대부분 교류전원을 공급받고 있기 때문이다. 그리고 직류송전의 단점 때문에 직류발전기는 특수한 용도에만 사용된다. 예를 들어 축전기의 충전용, 통신기기(스마트폰 등)의 전원용, 전기철도의 전등용 및 선박용으로 사용된다. 직류전동기는 정밀하고 정확한 속도 제어가 가능하다는 장점이 있다. 전해연마, 구리, 알루미늄의 정련, 철도차량용 전동기, 전기화학공업의 산업체에서 일부 이용되며, 완구용으로도 폭넓게 이용된다.

참고자료

• 〈직류발전기〉, 《네이버 지식백과》
• 〈직류 발전기〉, 《네이버 지식백과》
• 〈직류발전기〉, 《네이버 지식백과》
• 〈직류기〉, 《나무위키》

같이 보기

• 직류
• 발전기
• 직류모터
• 교류
• 교류발전기
• 교류모터

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