다이너모
Dynamo |
발전기는 정류자를 사용하여 직류를 생성하는 전기 발전기입니다.동력기는 산업용 전력을 공급할 수 있는 최초의 발전기이며, 전기 모터, 교류 교류 발전기, 회전 변환기 등 이후의 많은 전기-전력 변환 장치의 기반이 되었습니다.
오늘날에는 효율, 신뢰성 및 비용 측면에서 보다 단순한 교류 발전기가 대규모 발전을 지배하고 있습니다.발전기는 기계 정류자의 단점이 있다.또한 정류기(예: 진공 튜브)를 사용하여 교류 전류를 직류로 변환하는 것이 효과적이며 일반적으로 경제적입니다.
역사
영구 자석 포함 유도
전자파 발생기의 작동 원리는 1831-1832년에 마이클 패러데이에 의해 발견되었습니다.나중에 패러데이의 법칙이라고 불리는 원리는 다양한 자속을 둘러싼 전기 전도체에서 기전력이 발생한다는 것입니다.
그는 또한 말굽 자석의 극 사이에서 회전하는 구리 원반을 사용하여 패러데이 원반이라고 불리는 최초의 전자파 발생기를 만들었다.소량의 DC전압을 발생시켰습니다.이것은 정류자를 사용하지 않았기 때문에 현재의 의미로는 발전기가 아니었다.
이 설계는 자기장의 영향을 받지 않는 디스크 영역의 전류 역류가 자가 취소되기 때문에 비효율적이었습니다.전류가 자석 바로 아래에서 유도되는 동안, 전류는 자기장의 영향 밖에 있는 영역에서 역순환합니다.이 역류에 의해 출력은 픽업 와이어로 한정되어 구리 디스크의 폐열로 이어졌습니다.이후 동극성 발전기는 디스크 둘레에 배열된 자석을 사용하여 하나의 전류 흐름 방향으로 일정한 전계 효과를 유지함으로써 이 문제를 해결할 수 있었습니다.
또 다른 단점은 자속을 통과하는 단일 전류 경로로 인해 출력 전압이 매우 낮다는 것입니다.패러데이와 다른 사람들은 와이어를 여러 번 감아 하나의 코일로 만들면 더 높고 유용한 전압을 생성할 수 있다는 것을 발견했습니다.와이어 와인딩은 회전수를 변경함으로써 원하는 전압을 쉽게 생성할 수 있기 때문에 이후 모든 발전기 설계의 특징이며 직류 전류를 생성하기 위해 정류자의 발명이 필요합니다.
제1동력
최초의 정류 발전기는 1832년 프랑스 악기 제조업체인 히폴리테 픽시에 의해 만들어졌다.그것은 크랭크로 회전하는 영구 자석을 사용했다.회전하는 자석은 절연 철사로 감싼 철 조각에 의해 북극과 남극이 통과하도록 배치되었다.
Pixii는 극이 코일을 통과할 때마다 회전하는 자석이 와이어에 전류 펄스를 발생시키는 것을 발견했습니다.그러나 자석의 북극과 남극은 반대 방향으로 전류를 유도했다.교류 전류를 DC로 변환하기 위해 Pixii는 2개의 스프링이 있는 금속 접점이 있는 샤프트의 분할 금속 실린더인 정류자를 발명했습니다.
이 초기 설계에는 문제가 있었습니다. 즉, 생성되는 전류는 전혀 분리되지 않은 일련의 "스파이크" 또는 전류 펄스로 구성되었기 때문에 평균 출력이 낮았습니다.그 시대의 전기 모터와 마찬가지로, 설계자들은 자기 회로의 큰 공기 갭이 심각하게 해로운 영향을 완전히 깨닫지 못했습니다.
이탈리아 물리학과 교수 안토니오 파치노티는 1860년경에 회전하는 2극 축 코일을 다극 트로이덜 코일로 교체함으로써 이 문제를 해결했다. 그가 만든 다극 트로이덜 코일은 고리 주변의 등간격의 많은 지점에서 정류자에 연결되었다; 정류자는 많은 세그먼트로 분할되었다.이것은 코일의 일부가 지속적으로 자석을 통과하여 전류를 [1]평활하게 한다는 것을 의미합니다.
현재 버밍엄 과학 박물관 씽크탱크에 있는 1844년의 울리치 전기 발전기는 산업 [2]공정에 사용된 최초의 전기 발전기입니다.그것은 Elkingtons 회사에 의해 상업적인 전기 [3][4][5]도금용으로 사용되었다.
자기 들뜸
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패러데이와는 별개로, 헝가리의 안요스 제드릭은 1827년에 전자기 회전 장치라고 불리는 전자기 회전 장치로 실험을 시작했습니다.단극 전기 시동기의 프로토타입에서 고정 부품과 회전 부품은 모두 전자파였습니다.
약 1856년에 그는 지멘스와 휘트스톤보다 약 6년 전에 발전기의 개념을 공식화했지만, 그가 이것을 깨달은 첫 번째 사람이 아니라고 생각했기 때문에 특허를 내지 않았다.그의 발전기는 영구 자석 대신 두 개의 전자석을 서로 마주보고 배치하여 [6][7]회전자 주변의 자기장을 유도했다.이것은 영구 자석 설계를 대체한 발전기 자기 [8]들뜸의 원리를 발견한 것이기도 하다.
실용적인 디자인
발전기는 산업용 전력을 공급할 수 있는 최초의 발전기였다.산업용에 적합한 현대 발전기는 찰스 휘트스톤 경, 베르너 폰 지멘스, 사무엘 알프레드 발리에 의해 독립적으로 발명되었습니다.발리는 1866년 12월 24일에 특허를 취득했고, 지멘스와 휘트스톤은 둘 다 1867년 1월 17일에 그의 발견에 대한 논문을 왕립 협회에 전달했다.
"동력 전기 기계"는 고정자장을 [citation needed]만들기 위해 영구 자석이 아닌 자기 동력 전자장 코일을 사용했습니다.휘트스톤의 디자인은 지멘스의 디자인과 비슷했지만, 지멘스의 설계에서는 스테이터 전자석이 로터와 직렬로 정렬되어 있었지만 휘트스톤의 설계에서는 [9]병렬로 정렬되어 있었다.영구 자석이 아닌 전자석의 사용은 발전기의 출력을 크게 증가시켰고 처음으로 고출력을 가능하게 했다.이 발명은 최초의 주요 산업적 전기 사용으로 이어졌다.예를 들어, 1870년대에 Siemens는 전자파 동력기를 사용하여 금속 및 기타 재료의 생산을 위해 전기 아크로에 전력을 공급했습니다.
개발된 발전기는 자기장을 제공하는 고정 구조와 그 자기장 내에서 회전하는 일련의 회전 권선으로 구성되어 있다.대형 기계에서 일정한 자기장은 하나 이상의 전자석에 의해 제공되며, 이를 보통 필드 코일이라고 합니다.
제노베 그램은 1871년 파리에서 가동되는 최초의 상업용 발전소를 설계하면서 파치노티의 디자인을 재창조했다.Gramme 설계의 장점은 자기장이 차지하는 공간을 무거운 철심으로 채우고 고정 부품과 회전 부품 사이의 공기 간격을 최소화함으로써 자속을 위한 더 나은 경로였습니다.Gramme dynamo는 [10]산업용으로 상업적인 양의 전력을 생산한 최초의 기계 중 하나였습니다.Gramme 링은 한층 더 개선되었지만, 와이어의 무한 회전의 기본 개념은 모든 현대 [11]동력기의 핵심에 남아 있습니다.
찰스 F. 브러시는 1876년 여름에 그의 첫 발전기를 말이 끄는 트레드밀을 사용하여 동력을 공급하기 위해 조립했다.Brush의 디자인은 실린더 모양이 아닌 원반 모양의 링 전기자를 형성함으로써 Gramme 발전기를 수정했다.필드 전자석도 [12][13]원주가 아닌 전기자 디스크의 측면에 배치되었습니다.
로터리 컨버터
동력기와 모터가 기계적 또는 전기적 전력 사이에서 쉽게 전환할 수 있는 것으로 밝혀진 후, 그것들은 로터리 컨버터라고 불리는 장치에 결합되었습니다. 회전 기계는 부하에 기계적 전력을 공급하는 것이 아니라 예를 들어 DC에서 AC로 전류를 변환하는 것을 목적으로 했습니다.두 개 이상의 회전 접점 세트(필요에 따라 정류자 또는 슬립링)가 있는 멀티 필드 단일 로터 장치였으며, 하나는 장치를 회전시키기 위한 전기자 권선 한 세트에 전력을 공급하고, 하나 이상의 다른 권선에 연결되어 출력 전류를 생성했다.
로터리 컨버터는 내부적으로 모든 유형의 전력을 다른 전력으로 직접 변환할 수 있습니다.여기에는 직류(DC)와 교류(AC), 3상 및 단상 전력, 25Hz AC 및 60Hz AC 또는 여러 출력 전압을 동시에 변환하는 작업이 포함됩니다.로터의 크기와 질량은 로터가 플라이휠 역할을 하여 가해지는 동력에서 갑작스런 서지나 낙하를 완화하도록 크게 만들어졌다.
로터리 컨버터의 기술은 20세기 초에 수은-증기 정류기로 대체되었습니다. 수은-증기 정류기는 더 작고 진동과 소음이 발생하지 않으며 유지관리가 덜 필요했습니다.현재 솔리드 스테이트 전력 반도체 소자에 의해 동일한 변환 작업이 수행됩니다.로터리 컨버터는 1960년대 후반까지 맨해튼의 West Side IRT 지하철에서 사용되었으며, 몇 년이 지난 후에도 사용되었을 수 있습니다.그들은 25Hz AC로 전원을 공급받았고 열차에 600V의 직류를 공급했습니다.
제한 및 감소
발전기나 정류된 DC 모터와 같은 직류 기계는 정류자를 사용하기 때문에 교류(AC) 기계보다 유지 보수 비용과 전력 제한이 높습니다.단점은 다음과 같습니다.
- 브러시와 정류자 간의 슬라이딩 마찰은 전력을 소모하며, 이는 저전력 [citation needed]발전기에서 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
- 마찰로 인해 브러시와 구리 정류자 세그먼트가 마모되어 먼지가 발생합니다.대형 정류기의 경우 브러시를 정기적으로 교체하고 정류자를 가끔 다시 배치해야 합니다.정류된 기계는 미립자가 적거나 밀봉된 용도 또는 유지보수 없이 장기간 작동해야 하는 장비에서 사용할 수 없습니다.
- 브러시와 정류자 사이의 슬라이딩 접점의 저항으로 인해 "브러시 강하"라고 불리는 전압 강하가 발생합니다.이 전압은 몇 볼트일 수 있으므로 저전압 고전류 기계에서 큰 전력 손실을 일으킬 수 있습니다(옆 그림의 7V 전기 도금 발전기의 거대한 정류자 참조).정류자를 사용하지 않는 교류 모터가 훨씬 더 효율적입니다.
- 정류자로 전환할 수 있는 최대 전류 밀도 및 전압에는 한계가 있습니다.예를 들어 전력 정격이 메가와트인 초대형 직류 기계는 정류자로는 만들 수 없습니다.가장 큰 모터와 발전기는 모두 교류 기계입니다.
- 정류자의 전환 동작은 접점에서 불꽃을 일으켜 폭발성 대기에서 화재 위험을 초래하고 전자파 간섭을 발생시킵니다.
직류 동력기는 산업의 첫 번째 전력원이었지만, 동력을 사용하는 공장 근처에 위치해야 했다.전기는 변압기를 사용하여 교류(AC)로서 거리에 걸쳐 경제적으로만 분배할 수 있었다.1890년대 전력 시스템이 교류로 전환되면서 20세기 동안 동력기는 교류 발전기로 대체되었고, 지금은 거의 구식이 되었습니다.
어원학
dynamo'라는 단어는 원래 전기 발전기의 다른 이름이었고, 여전히 발전기의 대체 용어로 사용되고 있다.이 단어는 1831년 마이클 패러데이에 의해 만들어졌는데, 그는 그의 발명품을 전기와 [14][15]자기에서 많은 발견을 하기 위해 사용했다.
Werner von Siemens의 원래 "다이나모 원리"는 직류 전력을 생성하기 위해 자기 들뜸(자기 유도) 원리만을 사용하는 직류 전류 발생기를 가리킵니다.영구 자석을 사용한 초기 DC 발전기는 "동력 전기 기계"[16]로 간주되지 않았습니다.발전기 원리(자기 유도)의 발명은 기존의 영구 자석 기반 DC 발전기보다 기술적으로 크게 발전한 것입니다.발전기 원리의 발견으로 산업 규모의 발전이 기술적으로나 경제적으로 실현 가능해졌다.교류발전기가 발명되고 교류전류를 전원으로 사용할 수 있게 된 후 발전기라는 단어는 '정류 직류발전기'와만 관련지어지게 되었고, 슬립링 또는 회전자석을 사용하는 교류발전기는 교류발전기로 알려지게 되었다.
라이트에 전력을 공급하기 위해 자전거 바퀴의 허브에 내장된 작은 전기 발전기는 허브 발전기라고 불리지만, 이들은 변함없이 AC [citation needed]장치이며 실제로는 마그네토입니다.
설계.
전기 발전기는 전선과 자기장의 회전 코일을 사용하여 패러데이의 유도 법칙을 통해 기계적 회전을 펄스 직류로 변환합니다.발전기는 일정한 자기장을 제공하는 스테이터라고 불리는 고정 구조와 그 필드 내에서 회전하는 전기자라고 불리는 회전 권선 세트로 구성됩니다.패러데이의 유도 법칙으로 인해 자기장 내에서 와이어의 움직임은 금속의 전자를 밀어 와이어에 전류를 생성하는 기전력을 생성합니다.작은 기계에서는 일정한 자기장이 하나 이상의 영구 자석에 의해 제공될 수 있습니다. 큰 기계에서는 일반적으로 필드 코일이라고 불리는 하나 이상의 전자석에 의해 제공되는 일정한 자기장이 있습니다.
정류
정류자는 직류를 생성하기 위해 필요합니다.자기장 내에서 와이어의 루프가 회전하면 와이어를 통과하는 자속과 그에 따라 유도되는 전위가 반회전할 때마다 역전되어 교류 전류가 발생합니다.그러나 전기 실험 초기에는 교류는 일반적으로 알려진 용도가 없었습니다.전기 도금과 같은 몇 안 되는 전기 용도는 지저분한 액체 배터리에서 공급되는 직류를 사용했습니다.다이너모는 배터리를 대체하기 위해 발명되었다.정류자는 기본적으로 회전 스위치입니다.기계의 축에 장착된 일련의 접점과 "브러시"라고 불리는 흑연 블록 고정 접점이 결합되어 있습니다. 이러한 고정 접점은 가장 초기의 금속 브러시였기 때문입니다.정류자는 전위가 반전될 때 외부 회로에 대한 권선의 연결을 반전시키므로 교류 대신 펄스 직류가 생성됩니다.
들뜨다
최초의 동력기는 자기장을 만들기 위해 영구 자석을 사용했다.이것들은 "자기 전기 기계" 또는 마그네토라고 [17]불렸습니다.하지만 연구자들은 스테이터의 전자석([18]필드 코일)을 사용함으로써 더 강한 자기장과 더 많은 전력을 생산할 수 있다는 것을 발견했다.이것들은 "동력 전기 기계" 또는 [17]동력기라고 불렸습니다.스테이터의 필드 코일은 원래 별도의 작은 발전기 또는 마그네토에 의해 개별적으로 들뜨게 되었습니다.Wilde와 Siemens의 중요한 발전은 발전기 자체에서 생성된 전류를 사용하여 발전기가 스스로 흥분하도록 부트스트랩할 수 있다는 발견이었다(1866년까지).이를 통해 훨씬 더 강력한 필드를 성장시킬 수 있었고, 따라서 훨씬 더 큰 출력 전력을 얻을 수 있었습니다.
자기 들뜸 직류 동력기는 일반적으로 직렬 및 병렬(분사) 계자 권선의 조합을 가지고 있으며, 이 권선은 로터에 의해 정류자를 통해 회생 방식으로 직접 전력이 공급됩니다.전기 그리드 상의 다른 발전기와 함께 사용되지 않는 최신 휴대용 교류 발전기와 유사한 방식으로 시동 및 작동됩니다.
장치가 작동하지 않을 때 금속 프레임에 잔류하는 약한 자기장이 있으며, 이는 필드 권선에 의해 금속에 각인됩니다.외부 부하에 연결되지 않은 상태에서 발전기가 회전하기 시작합니다.잔류 자기장은 로터 권선이 회전하기 시작할 때 매우 작은 전류를 유도합니다.외부 부하가 연결되지 않으면 이 작은 전류가 필드 권선에 완전히 공급되고, 이 전류가 잔류 필드와 결합되어 로터가 더 많은 전류를 생성합니다.이와 같이 자기여자발전기는 정상동작전압에 이를 때까지 내부자기장을 형성한다.내부장과 외부 부하를 모두 견딜 수 있는 충분한 전류를 생성할 수 있으면 사용할 준비가 된 것입니다.
금속 프레임에 잔류 자기장이 불충분한 자기장 다이너모는 로터의 회전 속도에 관계없이 로터에 전류를 생성할 수 없습니다.이 상황은 최신 자가 들뜸 휴대용 제너레이터에서도 발생할 수 있으며, 정지된 제너레이터의 출력 단자에 짧은 직류 배터리 충전을 가함으로써 두 제너레이터 모두에서 유사한 방식으로 해결됩니다.배터리는 잔류 필드를 각인할 수 있을 정도로만 권선에 전력을 공급하여 전류를 축적할 수 있도록 합니다.이를 필드 플래시라고 합니다.
정지 상태에서 큰 외부 부하에 연결된 두 유형의 자기 들뜸 발전기는 잔류 필드가 있더라도 전압을 축적할 수 없습니다.이 부하는 에너지 싱크 역할을 하며 잔류장에서 발생하는 작은 로터 전류를 지속적으로 배출하여 필드 코일의 자기장 축적을 방지합니다.
사용하다
이력
보통 증기 엔진에 의해 구동되는 동력기는 산업 및 가정용 전기를 생산하기 위해 발전소에서 널리 사용되었다.그 후 교류 발전기로 대체되었다.
직렬 및 병렬(분사) 권선이 있는 대형 산업용 동력기는 로터 또는 필드 배선 또는 기계 구동 시스템이 특정 특수 조합으로 결합되지 않는 한 발전소에서 함께 사용하기 어려울 수 있습니다.이론적으로 발전기를 병렬로 작동시켜 [19]전력용 유도 및 자가 유지 시스템을 만드는 것이 가능해 보입니다.
동력기는 배터리 충전을 위한 전기를 생산하기 위해 자동차에 사용되었다.초기 타입은 세 번째 브러시 발전기였다.그들은 다시 교류 발전기로 대체되었다.
현대의
반도체 정류기가 있는 교류 발전기는 비효율적일 수 있기 때문에 동력기는 저전력 애플리케이션, 특히 저전압 DC가 필요한 애플리케이션에서도 여전히 일부 사용됩니다.
수동 크랭킹 다이너모는 시계 장치 라디오, 손전등 및 배터리를 충전하기 위한 다른 인간 동력 장치에 사용됩니다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
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외부 링크
- The Electration of the World – Werner von Siemens and Dynamoelectric Principle 아카이브 2020-09-20 Wayback Machine Siemens 역사 연구소
