교류발전기

교류발전기(交流發電機, alternator)는 기계적 에너지를 교류의 형태로 전기에너지로 변환하는 발전기이다. 자동차 산업과 발전소에서 사용된다.

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개요

교류발전기는 교류 형태로 역학적 에너지를 전기에너지로 전환하여 교류 기전력을 일으키는 발전기이다. 전자 감응 작용을 응용한 것으로, 간단히 교류기(交流機)라고도 한다. 교류발전기는 단상과 3상이 있으나 발전소에 있는 발전기는 모두 3상이며, 동기속도라는 일정한 속도로 회전하므로 3상 동기발전기(three-phase synchronous generator)라고 한다. 전기장치에 전기에너지를 지속적으로 충분히 공급하기 위해서는 자동차 자체에 전원을 갖추고 있어야 한다. 엔진의 정지 시에는 배터리가 전원이 되고, 엔진이 구동되면 교류발전기가 전원을 대신한다. 비용과 단순성의 이유로 대부분의 교류발전기는 고정 전기자와 함께 회전 자기장을 사용한다. 때때로 선형 교류발전기 또는 고정 자기장이 있는 회전 전기자가 사용되기도 한다. 원칙적으로 모든 AC발전기는 교류발전기라고 부를 수 있지만, 일반적으로 이 용어는 자동차 및 내연기관으로 구동되는 소형 회전기계를 가리킨다. 자기장에 영구 자석을 사용하는 교류발전기를 마그네토라고 한다. 증기터빈으로 구동되는 발전소의 교류발전기를 터보 교류발전기라고 한다. 발전소의 대형 50Hz 또는 60Hz 3상 교류발전기는 전력망에 의해 분배되는 세계 전력의 대부분을 생성한다. 교류발전기는 점화장치, 연료분사장치, 점등장치 등 각종 제어장치에 전기에너지를 공급해야 함은 물론이고, 배터리도 충전시켜야 한다. 따라서 교류발전기의 출력과 배터리의 용량, 전기장치의 출력은 서로 조화를 이루어야 하고, 항상 원활한 작동이 보장되어야 한다. 교류발전기는 대부분 고무벨트를 통해서 엔진의 동력에 의해 구동된다.

작동원리

자기장에서 상대적으로 움직이는 도체는 기전력을 발생시킨다. 이 기전력은 반대 극성의 자극 아래에서 움직일 때 극성을 바꾼다. 전형적으로, 회전자라고 불리는 회전 자석은 고정자라고 불리는 철심의 코일에 권선으로 고정된 도체 세트 내부에서 회전한다. 회전 자계는 고정자 권선에서 교류 전압을 유도한다. 고정자 권선의 전류가 회전자의 위치와 단계적으로 변하기 때문에 교류발전기는 동기식 발전기이다. 회전자의 자기장은 영구 자석 또는 자계 코일 전자석이 생성할 수 있다. 차량 교류발전기는 회전자 권선의 전류를 변화시킴으로써 발전기의 발전 전압을 제어할 수 있는 회전자 권선을 사용한다. 영구 자석 기계는 회전자의 자기화 전류로 인한 손실을 피하지만, 자석 재료의 비용 때문에 크기가 제한된다. 영구 자기장이 일정하기 때문에, 단자 전압은 발전기의 속도에 따라 직접 달라진다. 자동 전압 제어 장치는 자계 전류를 제어하여 출력 전압을 일정하게 유지한다. 고정된 전기자 코일의 출력 전압이 수요 증가로 인해 내려가면, 더 많은 전류는 전압 조정기(VR)를 통해 회전 방향 코일에 공급된다. 이것은 전기자 코일에서 큰 전압을 유도하는 필드 코일 주위에서 자계를 증가시킨다. 따라서, 출력 전압은 원래 값으로 되돌려진다. 중앙 발전소에서 사용되는 발전기는 교류 전력을 조절하고 순간 오류의 영향에 대한 전력 시스템을 안정화하는데 도움이되도록 자계 전류를 제어한다.

구성

• 스테이터(stator) : 철심과 코일로 구성되어 있다. 철심은 얇은 철판을 여러 장 겹쳐서 고정한 것으로 그 안쪽에는 코일이 들어가는 홈(slot)이 24개 또는 36개가 있으며, 작동 중에는 로터의 자극에서 나온 자속의 통로가 된다.
• 로터(rotor) : 자극이 되는 로터 철심, 여자 전류가 흐르는 로터 코일, 로터축, 슬립 링(slip ring) 등으로 구성되어 있다. 크랭크축 풀리와 V 벨트로 연결되어 회전한다. 로터 철심은 4개 또는 6개의 자극을 서로 맞대어 조립한 것으로, 8개 또는 12개의 극을 형성하고 있다. 로터 코일은 로터축 위에 원통형으로 감겨져 있고, 양쪽 끝은 축 위에 절연되어 설치된 2개의 슬립 링에 각각 접속되어 있다. 여자 전류가 브러시→슬립 링→로터 코일→슬립 링→브러시의 순서로 슬립 링에 접촉된 브러시를 통해 흐르면 한쪽 철심은 N극, 다른 한쪽 철심은 S극으로 자화된다.
• 브러시 : 2개의 브러시는 브래킷에 고정된 브러시 홀더에 끼운 다음, 브러시 스프링으로 눌러 슬립 링에 접촉시킨다. 한쪽 브러시는 여자 전류가 흘러들어오는 단자에 연결되고, 다른 한쪽 브러시는 접지되어 있다. 브러시는 로터가 회전할 때 슬립 링과 미끄럼 접촉을 하면서 로터 코일에 여자 전류를 공급하기 때문에, 접촉 저항이 작고 내마멸성이 좋은 금속 흑연질의 것이 사용된다.
• 정류기(rectifier) : 스테이터 코일에서 발생한 3상 교류를 정류하는 것으로 6개의 다이오드로 구성되어 있다. 다이오드는 +측과 -측에 각각 극성이 다른 다이오드 3개로 방열판의 히트 싱크(heat sink)인 홀더(holder)에 고정되어 있다.
• 팬 : 다이오드는 열에 약하므로 다이오드를 공기로 냉각시키기 위하여 로터축에 팬(fan)이 설치되어 있다.

하는 일

배터리는 자동차가 꺼져 있을 때 시동을 거는 데 필수적이지만 발전기는 엔진이 작동 중일 때 자동차를 계속 작동시킨다. 교류발전기는 운전 중이거나 공회전하는 동안 헤드라이트, 전기 스티어링, 파워 윈도우, 앞유리 와이퍼, 열선시트, 대시보드 계기 및 라디오를 포함하여 대부분의 자동차 전자 부품에 전력을 공급한다. 교류발전기는 운전하는 동안 자동차 배터리를 충전하는 역할도 한다. 교류발전기는 기계적 에너지를 전기에너지로 바꾸는 방식으로 작동한다. 엔진이 켜져 있으면 발전기에 부착된 풀리에 있는 구동 벨트에 전원이 공급된다. 도르래는 코일 주위에 자석 세트를 회전시키는 교류발전기의 회전자 샤프트를 돌린다. 이 회전하는 자석은 코일 주위에 교류(AC)를 생성한 다음 교류발전기의 정류기로 보내진다. 정류기는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 자동차의 전기 시스템을 활성화한다. 교류발전기는 일반적으로 차량의 수명 기간 동안 지속되지만 항상 그런 것은 아니다. 일반적인 마모, 열 손상, 남용, 물에 대한 노출, 결함 있는 부품 또는 마모된 전선으로 인해 차가 폐차장으로 이동하기 전에 발전기가 작동하지 않을 수 있다.

특성

• 교류발전기의 무부하 특성 : 교류발전기의 무부하 특성 교류발전기의 기전력은 스테이터 코일의 권선 수, 로터 철심의 자극 수, 자속의 세기 등에 따라 다르다. 일반적으로 그림과 같이 여자 전류가 증가할수록, 또는 회전 속도가 빠를수록 단자 전압이 증가한다.
• 교류발전기의 부하 특성 : 교류발전기에 부하를 접속하고, 회전 속도가 일정한 상태에서 부하 전류를 증가시키면, 내부의 전압 강하량이 증가하기 때문에 단자 전압이 낮아진다. 이와 같은 특성을 발전기에 부하를 걸었을 때의 외부 특성이라 한다. 축전지를 전원으로 하는 타려자 상태에서 발전기의 회전 속도를 높이면 출력 전압이 상승한다. 이 출력 전압이 축전지의 전압보다 높게 되면 여자 전류는 발전기 B단자에서 공급되어 자려자 상태로 된다.

장점

• 기계식 정류장치가 없기 때문에 회전 속도 범위가 넓다.
• 엔진 공회전 시에도 발전이 가능하다.
• 교류발전기에서 역전류 방지용으로 사용하던 컷아웃 릴레이가 필요 없다.
• 출력에 비해 중량이 가볍다.
• 정류자 브러시가 없어서 수명이 길다.

직류발전기와 차이

교류발전기는 자장을 형성하는 로터가 회전을 하는 반면, 직류발전기는 도체가 회전을 하여 전기를 발생시킨다. 발생하는 전류는 둘 모두 교류지만, 직류발전기는 기계적으로 정류 과정을 거치는 반면, 교류발전기는 다이오드를 이용하여 전기ㆍ전자적으로 정류를 하는 차이점이 있다. 자동차에는 직류발전기가 먼저 도입되어 수십년간 사용되었으나 여러가지 문제점으로 인해 현재는 모두 교류발전기로 대체되었다.

불량 징후

어둡거나 지나치게 밝은 조명

교류발전기가 고장나기 시작하면 전자 부속품에 일관되지 않은 전압을 제공한다. 일반적으로 너무 어둡거나 너무 밝은 헤드라이트와 같이 성능이 저조하거나 초과하는 장비의 형태를 취한다. 깜박이는 조명이나 조명이 밝음에서 흐릿함으로 또는 그 반대로 불규칙하게 바뀌는 것을 경험할 수도 있다.

배터리 방전

때때로 죽은 배터리는 몇 년 사용 후 수명이 다했거나 실수로 밤새 헤드라이트를 켜둔 상태로 유지한 죽은 배터리일 수 있다. 그러나 다른 경우에는 배터리가 방전되면 교류발전기가 오작동하고 있다는 신호일 수 있다. 불량 알터네이터는 엔진이 작동하는 동안 배터리를 충분히 충전하지 않아 평소보다 더 빨리 방전된다. 문제가 배터리와 관련된 것인지 알터네이터와 관련된 것인지 테스트하는 한 가지 방법은 자동차를 시동하는 것이다. 차에 시동을 걸고 계속 달리면 배터리를 곧 교체해야 할 수 있다. 그러나 차에 시동을 걸고 얼마 지나지 않아 다시 죽는다면 발전기가 배터리에 충분한 전력을 공급하지 못한다는 의미일 수 있다.

느리거나 오작동하는 액세서리

자동차 전자 장치에 충분한 전력을 공급하지 않는 교류발전기로 인해 액세서리가 느려지거나 작동하지 않는 경우가 많다. 창문을 올리거나 내리는 데 평소보다 시간이 오래 걸리거나 시트 워머가 꺼진 느낌이 들거나 속도계 및 기타 계기가 엉망이 되기 시작하더라도 알터네이터 문제가 있을 수 있다. 많은 현대 차량에는 또한 발전기가 충분한 전기를 공급하지 않을 경우 온보드 컴퓨터가 먼저 전원을 차단하도록 프로그램된 장비의 우선 순위 목록이 있다. 그렇게 하면 고장난 교류발전기로 운전하는 경우 헤드라이트의 전원이 꺼지기 전에 라디오(또는 기타 중요하지 않은 액세서리)의 전원이 꺼진다.

시작 문제 또는 잦은 지연

앞서 언급했듯이 엔진 시동 문제는 발전기가 배터리를 충전하지 못한다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 점화 장치에서 키를 돌릴 때 들리는 것은 엔진 소리 대신 딸깍하는 소리뿐이다. 반면에 차가 운전 중에 자주 멈추는 경우 점화 플러그가 발전기에서 엔진을 계속 작동시킬 만큼 충분한 전력을 공급받지 못하고 있다는 신호일 수 있다.

으르렁거리거나 징징거리는 소리

자동차는 많은 이상한 소리를 내며 일부는 무해한 반면 다른 자동차는 심각한 기계적 문제를 나타낼 수 있다. 후드 아래에서 으르렁거리거나 징징거리는 소리가 들리면 교류발전기에 문제가 있을 수 있으므로 가능한 한 빨리 전문가에게 점검을 받아야 한다. 이 으르렁거리거나 징징거리는 소리는 알터네이터 풀리를 돌리는 벨트가 잘못 정렬되거나 풀리 측면에 마찰될 때 발생한다. 로터 샤프트를 회전시키는 베어링이 나빠지는 경우에도 이 소리가 들릴 수 있다.

고무나 전선 타는 냄새

고무나 전선 타는 냄새가 나는 것은 교류발전기의 부품이 마모되기 시작했음을 나타낼 수 있다. 교류발전기의 구동벨트는 일정한 장력과 마찰을 받고 있고 뜨거운 엔진에 가깝기 때문에 시간이 지남에 따라 마모되어 불쾌한 고무 타는 냄새가 날 수 있다. 마찬가지로, 교류발전기가 과로 중이거나 전선이 닮았거나 손상된 경우 전기 화재와 비슷한 타는 냄새가 날 수 있다. 과로한 교류발전기는 전선을 통해 너무 많은 전기를 공급하려고 하여 전선이 불안정하게 가열된다. 손상된 전선은 또한 전기 흐름에 저항을 일으켜 전선을 가열하고 악취를 발생시킨다.

대시의 배터리 경고등

대시보드에 배터리 경고등이 나타나면 일반적으로 배터리 관련 문제로 오인된다. 그러나 배터리 경고등은 교류발전기를 포함하여 자동차의 더 넓은 전기 시스템에 문제가 있을 수 있음을 나타낸다. 교류발전기는 일반적으로 13-14.5볼트 사이의 특정 전압에서 작동하도록 설계되었다. 교류발전기에 장애가 발생하면 전압이 용량 미만으로 떨어질 수 있으며, 이로 인해 계기판에 배터리 경고등이 나타날 수 있다. 유사하게, 발전기가 얼마나 많은 스트레스를 받고 있는지에 따라 교류발전기가 전압 한계를 초과하는 경우에도 배터리 표시등이 나타난다. 자동차 액세서리(헤드라이트, 와이퍼, 라디오 등)의 전기 부하에 따라 알터네이터가 의도한 전압 용량 안팎으로 변동할 때 배터리 경고등이 깜박이는 것을 볼 수 있다. 이것이 사소한 성가심처럼 보일 수 있지만, 차를 길가에 꼼짝 못하게 하는 것보다 발전기 검사를 위해 차를 가져오는 것이 좋다.

참고자료

• 〈교류 발전기〉, 《위키백과》
• 〈6. 교류발전기〉, 《강주원자동차홈》
• 메카럽, 〈자동차 발전기란?- 불량 발전기의 7가지 징후〉, 《티스토리》, 2022-02-10
• 사실요것만고치면돼요, 〈발전기 / 알터네이터 / 제너레이터 - Alternator〉, 《네이버 블로그》, 2013-03-07
• 사실요것만고치면돼요, 〈직류발전기와 교류발전기의 차이〉, 《네이버 블로그》, 2013-04-17

같이 보기

• 교류
• 발전기
• 교류모터
• 직류
• 직류발전기
• 직류모터

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