제네레이터 원리 배선 회로도

[김 쉰들러]

(제너레이터)알터네이터 정리  물리.기계 

2011/08/07 15:43

http://blog.naver.com/irri12/60136657649

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출처: http://cafe.naver.com/renewableenergy/12613

Generator (제네레이터)

자동차에 많은 전기·전자장치들이 장착됨에 따라 발전기 출력도 지속적으로 증대되고 있다.
지난 수십년간 승용자동차 발전기의 출력 증가 경향을 보여주고 있다. 또 시내주행시 기관 공전상태로 기다리는 시간이 점점 증가하고 있다.
특히 대도시의 출퇴근시에는 공전 상태로 정차해 있는 시간이 주행시간의 약 50%를 상회한다. 
이와 같은 상반된 결과, 즉 출력 증대가 요구되는 반면에 공전상태로 운전되는 시간이 증가함에 따라 직류발전기로는 더 이상 원활한 전기에너지의 공급이 어렵게 되었다. 

[그림] 발전기의 출력 증가 경향

[그림] 시내주행시 정차 시간율(예)

교류발전기는 기존의 직류발전기를 대체한 것이다. 교류발전기는 직류발전기와 비교할 때, 다음과 같은 장점이 있다.

[그림] 직류발전기와 3상 교류발전기의 전류 특성

① 기관 공전시에도 발전이 가능하다. 따라서 전기부하가 필요로 하는 전류를 공전시에도 충분히 공급할 수 있다. ② 허용 회전속도범위가 넓어졌다. 직류발전기는 기계식 정류기구(정류자, 브러시) 때문에 최대 회전 속도가 제한된다. 그러나 교류 발전기는 고정 설치된 다이오드를 이용하여 정류한다. 즉 기계식 정류기구(정류자와 브러시)가 없기 때문에 그에 따른 문제점도 없다. ③ 정류 회로의 플러스 다이오드는 컷 아웃 릴레이(cut-out relay)의 기능을 수행한다. 다이오드는 축전지로부터 발전기로 전류가 역류되는 것을 방지한다. 따라서 간단한 전압 조정기만 있으면 된다. ④ 출력에 비해 중량이 가볍다.-효율 증대 ⑤ 수명이 연장되었다. 카본 브러시와 정류자가 생략되므로, 오직 베어링에 의해 수명이 결정된다. 기관의 수명과 발전기의 수명이 거의 같다(약 100,000㎞ 정도). ⑥ 교류발전기는 외부 영향, 예를 들면 고온, 증기, 먼지, 진동 등에 강하다. ⑦ 냉각팬의 형상이 회전방향에 일치되어 있는 한 발전기의 회전 방향을 자유로이 결정할 수 있다.

발전기의 구조 

http://mazdarx7.iougs.com/electrical.shtml

[그림] 충전 회로도와 구조

1. 제네레이터 구조

⑴ 로터(rotor) 로터는 로터 코어, 로터 코일(필드 코일, 슬립링 축으로 구성되어 있으며, 필드 전류(여자전류)는 브러시→슬립링→로터 코일→슬립링→다른 브러시로 흐른다. 이 회로에서 흐르는 필드 전류에 의해 로터 코어에 자기를 띠게 한다.

⑵ 스테이터(stator) 스테이터는 스테이터 코어와 스테이터 코일로 구성된다.
⑶ 렉티파이어(rectifier) 렉티파이어는 6개의 다이오드(+3개, -3개)로 구성되어 있고 홀더(heat sink)에 고정(납땜)되어 있다(그랜져는 6V 다이오드는 8개).

⑷ 전압 조정기 cut out Relay와 I. C. Regulator가 있다.

2. 제네레이터의 원리 

삼 상 교류발전기이며 각각 120°로 고정된 스테이터 코일 3개와 중앙에 회전하는 로터 코일로 구성되어 있다. 스테이터 코일 3상 전압 발전과 선간 전압 최대치를 전파 정류하여 전압을 연속적으로 공급한다. 3상 전파정류는 아래 그림과 같이 6개의 다이오드(플러스 다이오드 3개와 마이너스 다이오드 3개)로 구성된 브리지 회로를 이용하여 정류한다. 이때 각 상(phase)에는 각각 1개씩의 플러스 다이오드(B+측)와 마이너스 다이오드(B-측)가 설치된다. 
아래 그림의 단상 반파회로에서 보면 1개의 정류 다이오드로는 양(+) 또는 음(-)의 반파 중 하나만 정류된다. 

[그림] 삼상 성형결선

따라서 두 반파를 모두 정류하기 위해서는 각 상에 2개의 정류 다이오드가 필요하게 된다. 즉, 양(+)의 반파는 (+)측 다이오드에 의해서, 음(-)의 반파는 (-)측 다이오드에 의해서 정류된다. 3상 교류의 양(+)의 반파와 (-)의 반파가 모두 정류되어 합해지면 아래 그림 c와 같이 약간의 리플(ripple)이 있는 맥류가 된다.

[그림] 삼상 전파

3 상 교류발전기가 단자 B+와 B-를 통해서 부하에 공급하는 전압은 완전한 직류가 아니고 약간의 리플이 있는 맥류이다. 이 맥류의 리플은 발전기와 병렬로 결선된 축전지, 또는 부하 회로내에 설치된 커패시터(capacitor)에 의해서 여과된다. 
로터의 자극편을 자화시키는 기능을 하는 여자전류는 3상 교류회로에서 분기된 다음에, 로터에 공급되기 전에 정류된다. 여자전류의 정류는 B- 단자측의 3개의 다이오드와 또 다른 3개의 플러스 다이오드(소위 여자 다이오드)에 의해서 이루어진다. 

3. 다이오드의 역전류 차단기능-컷아웃 릴레이 기능 

3상 교류발전기에서 정류 다이오드는 여자전류와 발전기전류를 정류할 뿐만 아니라,3상 코일로 전류가 역류를 방지한다.

[그림] 여자전류의 분기와 정류

기관이 정지중이거나 또는 발전기가 자여자되지 않을 정도의 낮은 속도(예:크랭킹 속도)로 운전되면, 다이오드가 없을 경우에는 축전지 전류가 스테이터 코일로 역류하게 된다.  축전지측에서 보면 다이오드는 역극성이다.  즉 다이오드의 화살표는 축전지의 양극단자(+)를 가리키고 있다. 즉 발전기 전류가 축전지의 양극단자로 들어올 수는 있으나, 축전지에서 발전기로는 흐를 수 없다. 직류 발전기 에서는 이 기능을 수행하는 컷 아웃 릴레이를 별도로 갖추어야 한다.

4. 전여자회로(pre-excitation circuit : Vorerregerstromkreis)

[그림] 전여자 회로

위 그림에서 점화 스위치(또는 구동 스위치)(4)가 ON되면, 축전지 전류(IB)는 충전 경고등(3)을 거쳐서 로터의 여자코일(d)로, 거기서 다시 레귤레이터(2)를 거쳐서 접지된다. 레귤레이터가 별도로 차체에 장착된 형식에서는 먼저 레귤레이터를 거친 다음, 여자코일(d)로 전류가 공급된다. 이 회로를 전여자회로(pre-excitation circuit)라 한다.

보 통의 교류발전기(AC generator)는 로터 자극편(claw pole)의 전류 자기가 충분치 않아 시동순간 또는 기관 회전속도가 낮을 때에는 필요수준의 전압을 발생시킬 수 없다. 따라서 이와 같은 경우에는 별도로 여자코일에 전류를 공급해 주어야 한다. 이 목적으로 이용되는 회로가 전여자회로이다. 

3상 교류발전기의 여자회로에서 각 상마다 출력 다이오드(마이너스 다이오드)와 여자 다이오드가 직렬로 연결되어 있다. 이들 다이오드에서의 전압강하, 소위 다이오드의 확산전압 '2×0.7V=1.4V'를 넘어서기 전에는 발전기는 자여자되지 않는다.
따라서 전여자회로 중의 충전표시등(=경고등)이 전류를 소모함에 따라 여자코일에 충분한 자장이 형성되도록 하는 방법이 이용된다. 이렇게 하면 시동순간은 물론이고, 기관이 공전중일 때 축전지의 전류가 여자회로에 공급되지 않아도 발전기 스스로 자여자하여 외부에 전압을 공급할 수 있게 된다. 

충전 표시등(충전 경고등)

충전 경고등(3)은 전여자회로에 설치되어 점화 스위치(또는 구동 스위치)(4)가 ON되면, 저항(resistor)처럼 기능한다. 

크랭킹시에도 경고등을 통해 충분한 전류가 소모되므로(흐르므로), 전여자전류는 필요한 수준의 자여자를 개시하기에 충분한 자계를 형성하게 된다. 

축전지와 발전기 사이의 전압차 때문에 전여자전류는 축전지 (+)단자로부터 발전기 충전 표시등을 거쳐서 발전기의 (D+)단자로 흐른다. 충전 표시등이 점등되어 있는 동안은 발전기는 외부로 전류를 공급하지는 않는다. 

자여자를 하기에 충분한 회전속도에 도달하면, 충전 표시등이 소등되고, 이때부터 발전기는 자동차의 전원으로서 제 기능을 수행하게 된다. 충전 표시등의 출력은 일반적으로 12V 시스템에서는 2W, 24V 시스템에서는 3W 정도이다. 

5. 여자회로(excitation circuit)

여 자회로는 전 운전기간에 걸쳐서 여자코일에 자계를 형성하여, 스테이터의 3상 코일에 일정수준 이상의 전압이 유도되도록 하는 일을 한다. 자동차용 3상 교류발전기에서는 대부분 자여자방식을 사용한다. 따라서 3상 코일에 유도된 전압은 아래 그림에 도시한 바와 같이 분기되어 다음과 같은 순서로 흐른다.

상전류(phase current)의 일부는 각각 여자 다이오드를 거친 다음, 카본 브러시를 통해 슬립링→여자코일→레귤레이터(DF단자)로 흐른다. 이어서 (D-)단자와 출력 다이오드(1c)를 거쳐서 다시 3상 코일로 되돌아간다. 

레 귤레이터가 차체에 부착된 형식에서는 전류는 레귤레이터가 발전기에 부착된 방식에서와는 다른 경로를 거쳐 흐르게 된다. 즉, 여자전류는 여자 다이오드를 거친 다음, 먼저 레귤레이터의 단자 D+→단자 DF→여자코일(d)→출력 다이오드→3상 코일로 흐르게 된다. 

[그림] 여자회로

자 여자 발전기는 작동중에는 스스로 자여자(self excitation)한다. 자여자는 여자코일의 자극편에 남아 있는 잔류자기(remanence)에 의해서 시작된다. 발전기가 기동되면 잔류자기(전여자에 의해 강화되는)는 스테이터 코일에 약간의 전압을 유도한다. 

스테이터 코일에 유도된 전압은 다시 로터 코일(여자코일)에 작은 전류가 흐르도록 한다. 그러면 자계는 강화되고, 결과적으로 스테이터 전압은 조금 증가하게 된다. 이와 같은 작용은 발전기 전압이 규정 수준에 도달할 때까지 계속적으로 반복되게 된다. 

6. 발전기 회로(alternator circuit) (또는 주회로 : main circuit) 

발 전기의 3상 코일에 유도된 교류전압은 먼저 정류 브리지 회로의 출력 다이오드에 의해서 직류로 정류된 다음, 축전지와 부하(electric load)에 공급된다. 즉 발전기 전류는 부하전류(load current)와 축전지 전류(battery current)로 나누어진다. 발전기 회로는 아래 그림에 도시되어 있다.

[그림] 발전기 회로(주회로)

[그림] 3상 스테이터 코일의 전압 곡선

우선 옆 그림을 보자. 6쌍의 자극을 가지고 있는 로터가 회전각 30°의 위치에 있다고 하자. 이 순간에 코일 V의 상전압은 양(+)이나, 코일 W의 상전압은 음(-)이며, 코일 U의 상전압은 0이다.  이때 전류는 다음과 같은 경로로 흐른다.  스테이터 코일 V→출력 다이오드(1b)→발전기 단자 B+→축전지 또는 전기부하→접지→발전기 단자 B-(보통 발전기의 하우징)→출력 다이오드(1c)→스테이터 코일 W→중성점

위 그림에서 회전각 45°점을 살펴보자.

스테이터 코일 V와 W에 유도된 전압은 같다. 이 전압은 출력 다이오드(1b)를 거쳐서 축전지와 부하로 흐른다. 이어서 출력 다이오드(1c)와 스테이터 코일 U를 거쳐 중성점에 도달하게 된다.

이 때 전압이 0(zero)인 스테이터 코일은 없다. 위에서 예를 든 2가지 경우는 임의의 순간에서의 상황이다. 실제로 상전압은 지속적으로 크기와 방향이 변화한다. 그러나 모든 출력 다이오드가 로터의 위치(=회전각)와 상관없이 계속적으로 정류 작용을 하기 때문에, 축전지(B+)와 전기부하(단자 15)에 공급되는 직류전류는 항상 일정한 방향으로 흐르게 된다. 발전기로부터 축전지로 전류가 흐르기 위해서는 발전기 전압이 축전지 전압보다 반드시 높아야 한다(즉 발전기는 일종의 전기 펌프와 같은 기능을 한다).

http://home.mindspring.com/~d.max/id2.html

[출처] (제너레이터)알터네이터 정리|작성자 irri12