전기 16 > 충전장치 (개요·직류발전기)

 1. 충전 장치의 구성

     충전 장치는 그림과 같이 전기를 발생시키는 교류 발전기(alternator), 교류를 직류로 변환시키는 정류기(rectifier), 발생 전압을 일정하게 조절하는 조정기(regulator), 충·방전 상태를 나타내는 전류계(ammeter)와 충전 경고등(charge warning lamp), 축전지, 점화 스위치 등으로 구성되어 있다. 발전기는 V 벨트에 의해 크랭크축 풀리의 회전력으로 구동되며, 기관 회전 속도의 약 2배로 회전한다. 종래에는 아마추어(armature)에서 발생한 교류 전류를 정류자에서 직류화한 직류 발전기가 사용되었으나, 반도체 정류기가 실용화된 이후에는 교류 발전기가 널리 사용되고 있다. 교류 발전기는 회전 속도에 비례한 전압이 발생한다. 이 발생 전압을 일정하게 하는 장치가 조정기이다. 조정기는 충전 장치에서 과전압과 과전류의 발생을 방지하여 각종 전기 장치를 보호하고 발전기가 안정된 상태에서 작동하도록 한다.

교류 발전기(alternator)는 그림과 같이 로터, 스테이터, 정류기, 브러시, 베어링, V벨트 풀리, 팬 등으로 구성되어 있다. 교류 발전기에는 기관 팬 벨트에 의해 로터가 회전되면 스테이터에 3상 교류 전기가 발생한다. 발생한 3상 교류 전기는 다이오드에 의해 전파 정류되어 직류로 각 전기 장치에 공급된다.

 

2. 단상 교류와 3삼 교류

1) 단상 교류

▶ 단상 교류의 발생 : 그림에 나타낸 것과 같이 직류 발전기는 자계 내에서 도체를 회전시켜 전류를 발생키시지만 교류 발전기에서는 이와는 반대로 도체를 고정하고 자력을 회전시켜 전류를 발생시킨다.

그림의 자석이 1회전하였을 때 도체에 발생되는 기전력의 크기와 방향을 표시한 것이다. 이와 같이 기전력을 발생하는 도체가 1조의 코일로 구성된 것을 단상 교류(single phase AC)라 하며 이 형식의 발전기를 단상 교류 발전기라고 한다.

 

 

 

 회전수와 주파수와의 관계 : 그림에 나타낸 것과 같이 a에서 a까지의 기전력 변화를 1사이클이라고 하고 이 변화를 1초 동안에 반복하는 회수를 주파수라고 한다. [단상 교류 발생] 그림에서 자석이 1초 동안에 1회전한다고 하면 발생하는 주파수는 1사이클이 된다.

그림에서 자석이 2극인 것이므로 4극의 자석을 사용하였을 경우에는 1/2회전마다 같은 변화가 반복되므로 자석 1회전에 대해 2사이클의 변화를 하게 된다. 이에 따라 자석의 자극수가 증가할수록 또는 회전속도가 커질수록 발생되는 주파수가 증가하는 것을 알 수 있다. 이것을 관계식으로 나타내면 다음과 같다.

 

 

     

[주파수] ∝ [자극수] × [회전속도]        

 

2)  3상 교류

 3 상 교류의 개요 : 자동차용 발전기는 처음에는 단상 교류 발전기를 사용하고 정류자와 브러시를 이용하여 직류로 정류하여 사용하였으나 최근에는 고성능의 실리콘 다이오드가 개발되어 3상 교류 발전기가 사용되고 있다. 3상 교류 발전기란 단상 교류 발전기를 3개 조합한 것이며, 이것은 단상 교류 발전기보다 저속 회전에서도 발생 전압이 높으므로 배터리를 확실하게 충전할 수 있고 또 고속 회전에서는 매우 안정된 성능을 발휘한다.

  3상 교류의 발생 : [3상 코일의 배치도]그림에 나타낸 것과 같이 A-A, B-B, C-C로 된 권수가 같은 3조의 코일을 120° 간격으로 철심에 감은 후 자석 NS를 일정한 속도로 회전시키면 [3상 교류 전압]그림에 나타낸 것과 같이 3상 교류 전압이 발생한다. B코일에는 A코일보다 120°늦게 전압 변화가 발생하고, C코일에는 B코일보다 120° 늦은 전압 변화가 발생한다. 이와 같이 A, B, C 3조의 코일에서 발생하는 교류 파형을 3상 교류라고 한다.

 

 3상 코일의 결선 방법 : 실용화 되어있는 3상 교류 발전기에는 3쌍의 코일을 [3상 코일의 결선 방법]그림과 같이 접속하고 있다. 그림(a)는 코일의 한쪽 끝 A, B, C를 각각 외부 단자로 하고, 다른 한쪽 끝을 한 곳에 묶어 놓은 Y결선(또는 스타 결선star connection)방식이고, 그림(b)는 코일의 각 끝과 시작점을 서로 묶어서 각각의 접속점을 외부 단자로 한 삼각 결선(또는 델타 결선delta connection)방식이다.

여기서, 각 코일에 발생하는 전압을 상 전압, 전류를 상전류라고 하며, 외부 단자 사이의 전압을 선간 전압, 외부 단자에 흐르는 전류를 선간 전류라고 하며 Y결선과 삼각 결선에서는 각각 다음과 같은 관계가 있다.

Y 결선의 경우 선간 전압은 상 전압의 배이고 삼각 결선의 경우에는 선간 전류는 상 전류의 이다. 그러므로 같은 크기의 발전기에서 코일의 권수가 같으면 Y결선 방식이 삼각 결선 방식보다 높은 기전력을 얻을 수 있다. 따라서 자동차용 교류 발전기는 저속에서 높은 전압을 얻을 수 있고, 중성점의 전압을 이용할 수 있는 Y결선을 많이 사용한다. 그러나 일부 큰 출력을 요구하는 경우에는 삼각 결선을 사용하는 경우도 있다.

3. 발전기 종류

1) 직류 발전기 : 자려자식(자극에 있는 잔류자기 이용). 분권식

2) 교류 발전기 : 타려자식(축전지, 전압조정기). Y 및 Δ결선

 

4. 발전기 작동원리

                                              

◈ 도체와 자력선을 교차 시키면 도체에 기전력이 발생한다. 이 현상을 전자 유도 작용이라 하며 이 유도 작용에 의해 발생한 기전력을 유도 기전력, 흐르는 전류 를 유도 전류라 한다. 유도 기전력의 영향(렌즈의 법칙)(플레밍의 오른손 법칙)도체에 영향을 미치는 자력을 변화시켰을 경우 유도 기전력의 방향은 코일내의 자속의 변화를 방해하는 방향으로 생긴다  이 것을 렌즈의 법칙이라 한다.  주로 발전기 원리에 많이 사용 (그림: 발전기 원리 참조) (기전력 : 起電力 : 전류를 일으키는 작용)

 

5. 직류 발전기

1) 직류 발전기는 분권식이므로 전기자 코일과  계자 코일의 병렬접속 되어 있고.  전기자가 회전하면 계자철심의 잔류 자기에 의하여 전기자 코일에 약간의 기전력이 유기되고, 그 기전력에 의하여 계자 전류가 흐른다.  계자 전류가 흐르면 계자 철심의 자속이 증가하여 점차 기전력이 증가. 이와 같이 초기전압 발생이 늦고 저속시 에는 충전특성이 좋지 않다

2) 계자코일 :자계를 형성하며 고정

3) 전기자 : 계자코일 내에서 회전하며 교류 기전력 발생

4) 브러시 정류자 : 정류자 위를 브러시가 섭동하며 교류를 직류로 정류

5) 발전기 조정기

① 컷 아웃 릴레이 : 축전지에 발전기로 전류가 역류되는 것 방지

② 전압 조정기 : 계자코일에 흐르는 전류를 제어하여 발생 전압을 일정하게 유지 한다

③ 전류 조정기 : 발전기의 발생 전류를 조정하며 발전기의  소손을 방지