발전기
Electric generator발전기는[1] 전기 발전에서 외부 회로에 사용하기 위해 운동 기반 전력(퍼텐셜 및 운동 에너지) 또는 연료 기반 전력(화학 에너지)을 전력으로 변환하는 장치입니다.기계적 에너지의 원천은 증기 터빈, 가스 터빈, 물 터빈, 내연 기관, 풍력 터빈 그리고 심지어 손 크랭크를 포함합니다.최초의 전자기 발생기인 패러데이 디스크는 1831년 영국 과학자 마이클 패러데이에 의해 발명되었습니다.발전기는 전력망에 거의 모든 전력을 공급합니다.
태양광 발전기와 연료전지 발전기는 전기 및 모션 기반 설계 외에도 태양광 발전기와 수소 기반 연료를 각각 사용하여 전기 출력을 생성합니다.
전기 에너지를 기계적 에너지로 역변환하는 것은 전기 모터에 의해 이루어지며, 모터와 발전기는 매우 유사합니다.많은 모터들이 기계적 에너지로부터 전기를 생산할 수 있습니다.
용어.
전자기 발전기는 다이너모와 알터네이터라는 두 가지의 넓은 범주 중 하나로 나뉩니다.
기계적으로 제너레이터는 회전 부분과 함께 자기 회로를 형성하는 고정 부분으로 구성됩니다.
이러한 부품 중 하나는 자기장을 발생시키고, 다른 하나는 변화하는 자기장이 전류를 유도하는 와이어 권선이 있습니다.
- 필드 권선 또는 필드(영구) 자석:전기 기계의 자기장을 발생시키는 부품.다이너모나 교류 발전기의 자기장은 자기장 코일 또는 영구 자석이라고 불리는 와이어 권선에 의해 제공될 수 있습니다.전기적으로 여기된 발전기는 전기장 플럭스를 생성하기 위한 여기 시스템을 포함합니다.영구 자석(PM)을 사용하는 발전기는 때때로 마그네토(magneto) 또는 영구 자석 동기 발전기(PMSG)라고 불립니다.
- 전기자:전기 기계의 전력을 생산하는 부품.발전기, 교류 발전기 또는 다이너모에서 전기자 권선은 전류를 발생시켜 외부 회로에 전력을 공급합니다.
전기자는 설계에 따라 로터 또는 스테이터에 있고, 필드 코일 또는 마그넷은 다른 부분에 있습니다.
역사
자기와 전기의 관계가 밝혀지기 전에 정전 발전기가 발명되었습니다.그들은 대전된 벨트, 플레이트 및 디스크를 이동시켜 고전위 전극으로 전하를 운반함으로써 정전기 원리로 작동했습니다.전하는 정전기 유도 또는 마찰 전기 효과의 두 가지 메커니즘 중 하나를 사용하여 생성되었습니다.그러한 발전기는 매우 높은 전압과 낮은 전류를 발생시켰습니다.정전 발전기는 비효율성과 매우 높은 전압을 생산하는 절연 기계의 어려움 때문에 전력 등급이 낮았고, 상업적으로 상당한 양의 전력을 생산하는 데 사용되지 않았습니다.그들의 유일한 실용적인 응용은 초기 X선 튜브에 동력을 공급하는 것이었고, 나중에는 일부 원자 입자 가속기에 동력을 공급하는 것이었습니다.
패러데이 디스크 발생기
전자기 발전기의 작동 원리는 1831년에서 1832년 사이에 마이클 패러데이에 의해 발견되었습니다.나중에 패러데이 법칙이라고 불리는 원리는 다양한 자속을 둘러싸는 전기 도체에서 기전력이 발생한다는 것입니다.
그는 또한 편자 자석의 극 사이에서 회전하는 구리 디스크를 사용하여 동극성 발전기의 한 종류인 패러데이 디스크라고 불리는 최초의 전자기 발전기를 만들었습니다.이것은 작은 직류 전압을 만들어 냈습니다.
이러한 설계는 자기장의 영향을 받지 않는 디스크 영역에서 전류의 역류를 스스로 상쇄하기 때문에 비효율적이었습니다.전류가 자석 바로 아래에서 유도되는 동안, 전류는 자기장의 영향 밖에 있는 영역에서 역방향으로 순환합니다.이러한 역류로 인해 전력 출력이 픽업 와이어로 제한되고 구리 디스크의 폐기물 가열이 유도되었습니다.나중에 동극성 발전기는 한 전류-흐름 방향으로 일정한 전계 효과를 유지하기 위해 디스크 둘레 주위에 배열된 자석 배열을 사용함으로써 이 문제를 해결할 것입니다.
또 다른 단점은 자속을 통과하는 단일 전류 경로로 인해 출력 전압이 매우 낮다는 것이었습니다.실험자들은 코일에 여러 번 감은 철사를 사용하는 것이 더 높고 유용한 전압을 생산할 수 있다는 것을 발견했습니다.출력 전압은 턴 수에 비례하기 때문에, 턴 수를 달리함으로써 원하는 전압을 생성할 수 있도록 발전기를 쉽게 설계할 수 있습니다.와이어 권선은 이후의 모든 발전기 설계의 기본 기능이 되었습니다.
제드릭과 자기 흥분 현상
패러데이와는 별개로, Annyos Jedlik는 1827년 전자기 회전 장치로 실험을 시작했습니다.단극 전기 스타터의 원형(1852년에서 1854년 사이에 완성)에서 고정 부품과 회전 부품은 모두 전자기적이었습니다.그것은 영구 자석 디자인을 대체한 다이너모 자기 여기 [2]원리의 발견이기도 했습니다.그는 또한 1861년 (지멘스와 휘트스톤 이전)에 다이너모의 개념을 만들었을지도 모르지만,[3] 이것을 실현한 첫 번째 사람이 아니라고 생각하여 특허를 내지 않았습니다.
직류 발전기
자기장에서 회전하는 와이어 코일은 180° 회전할 때마다 방향이 바뀌는 전류, 즉 교류(AC)를 생성합니다.그러나 초기 전기 사용에는 직류(DC)가 필요했습니다.다이너모스라고 불리는 최초의 실용적인 전기 발전기에서 AC는 전기자 샤프트의 회전 스위치 접점 세트인 정류기와 함께 DC로 변환되었습니다.정류기는 샤프트를 180° 회전할 때마다 전기자 권선을 회로에 연결하여 펄스 직류 전류를 생성했습니다.최초의 다이너모 중 하나는 1832년 히폴리테 픽시(Hippolyte Pixii)에 의해 만들어졌습니다.
다이너모는 산업에 전력을 공급할 수 있는 최초의 전기 발전기였습니다.현재 버밍엄 과학 박물관 씽크탱크에 있는 1844년의 울리치 전기 발전기는 산업 [4]공정에서 사용된 최초의 전기 발전기입니다.엘킹톤스의 회사에서 상업적 [5][6][7]전기도금에 사용했습니다.
산업 응용 분야에서 사용하기에 적합한 현대식 다이너모는 찰스 휘트스톤 경, 베르너 폰 지멘스, 사무엘 알프레드 발리에 의해 독립적으로 발명되었습니다.발리는 1866년 12월 24일 특허를 받았고, 지멘스와 휘트스톤은 1867년 1월 17일에 그들의 발견을 발표했고, 후자는 왕립 학회에 그의 발견에 대한 논문을 전달했습니다.
'다이나모-전기기계'는 고정자장을 [8]만들기 위해 영구자석이 아닌 자가발전 전자기장 코일을 사용했습니다.Whitstone의 디자인은 Siemens'와 유사했으며, Siemens의 디자인에서는 고정자 전자석이 로터와 직렬이지만 Whitstone의 디자인에서는 [9]병렬이라는 차이점이 있었습니다.영구자석이 아닌 전자석을 사용하여 발전기의 출력을 크게 높였고 처음으로 높은 발전량을 가능하게 했습니다.이 발명은 직접적으로 최초의 주요 산업용 전기 사용으로 이어졌습니다.예를 들어, 1870년대에 Siemens는 금속 및 기타 재료 생산을 위해 전기 아크로에 동력을 공급하기 위해 전자기 동력 장치를 사용했습니다.
개발된 다이너모 기계는 자기장을 제공하는 고정된 구조와 그 자기장 안에서 회전하는 회전 권선 세트로 구성되었습니다.더 큰 기계에서는 일정한 자기장이 하나 이상의 전자석에 의해 제공되는데, 이를 보통 필드 코일이라고 합니다.
현재 거의 보편적으로 전력 분배를 위해 교류 전류를 사용하기 때문에 큰 발전 다이너모는 거의 볼 수 없습니다.AC가 채택되기 전에는, 매우 큰 직류 다이너모가 유일한 발전 및 분배 수단이었습니다.AC가 우세하게 된 것은 AC가 장거리에서 낮은 손실을 허용할 수 있도록 매우 높은 전압으로 쉽게 변환되거나 변환될 수 있기 때문입니다.
동기식 발전기(교류 발전기)
일련의 발견을 통해 다이너모는 이후의 많은 발명품들, 특히 교류 전류를 생성할 수 있는 교류 교류 교류 발전기에 의해 계승되었습니다.일반적으로 SG(Synchronous Generators)라고 알려져 있습니다.동기화 시스템은 그리드에 직접 연결되어 있으며 [10]시작하는 동안 적절하게 동기화해야 합니다.게다가, 그들은 전력 시스템의 [11]안정성을 향상시키기 위해 특별한 제어장치로 흥분하고 있습니다.
교류 발전 시스템은 전류의 자기 유도에 대한 마이클 패러데이의 최초 발견으로부터 간단한 형태로 알려져 있었습니다.패러데이 본인이 초기 교류 발전기를 만들었습니다.그의 기계는 "회전하는 직사각형"이었는데, 그 작동은 극과 극이었고, 각각의 활성 전도체는 자기장이 반대 [12]방향인 영역을 연속적으로 통과했습니다.
커다란 2상 교류 발전기는 1882년 영국의 전기 기술자 J.E.H. Gordon에 의해 만들어졌습니다."알터네이터 시스템"의 최초 공개 시연은 1886년 [13]웨스팅하우스 전기의 직원인 윌리엄 스탠리 주니어에 의해 이루어졌습니다.
세바스찬 지아니 데 페란티는 1882년 유명한 물리학자 켈빈 [14]경의 도움으로 발명된 페란티 톰슨 알터네이터를 시장에 내놓기 위해 페란티, 톰슨, 잉스를 설립했습니다.그의 초기 교류 발전기는 100~300Hz 사이의 주파수를 만들었습니다.페란티는 1887년 교류 시스템을 사용하여 런던 전기 공급 회사를 위한 뎁트포드 발전소를 설계했습니다.1891년에 완공되었을 때, 그것은 최초의 진정한 현대적인 발전소였고, 그 후 각 거리에서 소비자들이 사용할 수 있도록 "내려진" 고압 교류 전력을 공급했습니다.이 기본적인 시스템은 전세계적으로 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다.
1891년 이후, 다상 교류 발전기는 여러 상이한 [15]상의 전류를 공급하기 위해 도입되었습니다.이후 교류 발전기는 아크 조명, 백열 조명 및 전기 [16]모터에 사용하기 위해 16~100헤르츠 사이의 다양한 교류 주파수를 위해 설계되었습니다.
자기흥분
더 큰 규모의 발전에 대한 요구 사항이 증가함에 따라 영구 자석에서 사용할 수 있는 자기장이라는 새로운 한계가 증가했습니다.발전기에서 생성된 전력의 소량을 전자기장 코일로 전환하면 발전기에서 훨씬 더 많은 전력을 생산할 수 있었습니다.이 컨셉은 자기 흥분이라는 이름이 붙여졌습니다.
필드 코일은 전기자 권선과 직렬 또는 병렬로 연결됩니다.제너레이터가 처음 회전하기 시작하면 철심에 존재하는 소량의 잔여 자성이 자기장을 제공하여 전기자에 작은 전류를 생성합니다.이는 필드 코일을 통해 흐르며 더 큰 자기장을 생성하여 더 큰 전기자 전류를 생성합니다.이 "부트 스트랩" 프로세스는 포화로 인해 코어의 자기장이 꺼지고 제너레이터가 정상 상태의 전력 출력에 도달할 때까지 계속됩니다.
매우 큰 발전소 발전기는 종종 더 큰 발전기의 필드 코일을 활성화하기 위해 별도의 더 작은 발전기를 사용합니다.발전소의 섬화가 발생한 심각한 광범위한 정전이 발생할 경우, 고객의 전력 서비스를 복구하기 위해 스테이션은 최대 발전기의 현장을 흥분시키기 위해 블랙 스타트를 수행해야 할 수도 있습니다.
발전기 전문 유형
직류(DC)
발전기는 직류 전류를 만들기 위해 정류기를 사용합니다.이 장치는 자기 흥분 상태입니다. 즉, 필드 전자석은 기계 자체의 출력에 의해 구동됩니다.다른 유형의 DC 발전기는 별도의 직류원을 사용하여 계자 자석에 전원을 공급합니다.
동극성 발전기
동극성 발전기는 균일한 정자기장에 수직인 평면에서 회전하는 전기 전도성 디스크 또는 실린더를 포함하는 DC 전기 발전기입니다.회전 방향과 필드의 방향에 따라 전기 극성인 디스크 중앙과 림(또는 실린더 끝) 사이에 전위차가 발생합니다.
단극성 발전기, 비순환성 발전기, 디스크 다이너모, 패러데이 디스크로도 알려져 있습니다.소규모 데모 모델의 경우 일반적으로 몇 볼트 정도로 전압이 낮지만, 대형 연구용 발전기는 수백 볼트를 생산할 수 있으며, 일부 시스템에는 직렬로 여러 개의 발전기가 있어 훨씬 더 [17]큰 전압을 생산할 수 있습니다.동극성 발전기가 매우 낮은 내부 저항을 갖도록 만들 수 있기 때문에 100만 암페어 이상의 엄청난 전류를 만들어낼 수 있다는 점에서 특이합니다.
자기유체역학(MHD) 발전기
자기 유체 역학 발전기는 회전하는 전자기 기계를 사용하지 않고 자기장을 통해 이동하는 뜨거운 가스에서 직접 전력을 추출합니다.MHD 발전기는 원래 플라즈마 MHD 발전기의 출력이 화염이기 때문에 증기 발전소의 보일러를 가열할 수 있습니다.최초의 실용적인 디자인은 1965년에 개발된 AVCO Mk. 25입니다.미국 정부는 상당한 규모의 개발에 자금을 지원하여 1987년에 25 MW 규모의 실증 공장을 완성했습니다.소련에서는 1972년부터 1980년대 후반까지 MHD 발전소 U25가 모스크바 전력계통에서 25MW의 정격출력으로 정기적으로 가동되고 있었으며,[18] 이는 당시 세계에서 가장 큰 MHD 발전소 정격출력입니다.탑핑 사이클로서 작동되는 MHD 발전기는 현재(2007) 복합 사이클 가스 터빈보다 덜 효율적입니다.
교류(AC)
유도발전기
유도 AC 모터는 기계적 에너지를 전류로 변환하는 발전기로 사용될 수 있습니다.유도 발전기는 기계적으로 동시 속도보다 빠르게 회전자를 회전시켜 음의 슬립을 줌으로써 작동합니다.일반적인 AC 비동시 모터는 부품 변경 없이 발전기로 사용할 수 있습니다.유도 발전기는 비교적 간단한 제어로 에너지를 회수할 수 있기 때문에 미니 수력 발전소, 풍력 터빈과 같은 응용 분야에서 또는 고압 가스 스트림을 더 낮은 압력으로 감소시키는 데 유용합니다.회전 자기장은 자기가 가진 자기장으로부터 유도되어 제공되기 때문에 작동을 시작하는 데 다른 회로가 필요하지 않습니다.또한 연결된 그리드 주파수에서 작동하기 때문에 속도 조절 장치 장비가 필요하지 않습니다.
유도 발전기는 반드시 선행 전압으로 전원을 공급해야 하며, 이는 일반적으로 전기 그리드에 연결하거나 위상 보정 커패시터로 전원을 공급하여 수행됩니다.
선형발전기
가장 간단한 형태의 선형 전기 발전기에서, 슬라이딩 자석은 솔레노이드 - 구리 와이어 또는 코일 - 를 통해 앞뒤로 움직입니다.자석이 미끄러질 때마다 패러데이의 유도 법칙에 의해 와이어 또는 와이어 고리에 교류 전류가 유도됩니다.이런 종류의 발전기는 패러데이 손전등에 사용됩니다.더 큰 선형 전기 발전기는 파력 체계에 사용됩니다.
가변속도 상수-주파수 발생기
그리드 연결 발전기는 일정한 주파수로 전력을 공급합니다.동기식 또는 유도식 제너레이터의 경우 제너레이터 샤프트를 회전시키는 프라이머 이동 속도가 특정 속도(또는 좁은 범위의 속도)여야 필요한 유틸리티 주파수에서 동력을 공급할 수 있습니다.기계식 속도 조절 장치는 필요한 고정 주파수를 유지하기 위해 입력 에너지의 상당 부분을 낭비할 수 있습니다.
원동기의 속도를 엄격하게 조절하는 것이 비실용적이거나 바람직하지 않은 경우 이중 공급 전기 기계를 발전기로 사용할 수 있습니다.파워 전자 장치의 도움을 받아, 이 장치들은 더 넓은 범위의 제너레이터 샤프트 속도에 걸쳐 출력 주파수를 원하는 값으로 조정할 수 있습니다.또는 표준 발전기를 사용하여 주파수를 조절하지 않고 정류기와 변환기 조합으로 원하는 출력 주파수로 변환할 수 있습니다.보다 광범위한 프라임 무버 속도를 허용하면 보다 복잡한 발전기 및 제어 장치의 비용으로 설비의 전체 에너지 생산을 향상시킬 수 있습니다.예를 들어, 고정 주파수로 작동하는 풍력 터빈이 높은 풍속으로 에너지를 쏟아야 하는 경우, 가변 속도 시스템은 높은 풍속의 기간 동안 포함된 에너지를 회수할 수 있습니다.
일반적인 사용 사례
발전소
발전소 또는 발전소 또는 발전소라고도 불리는 발전소는 전기를 생산하는 산업 시설입니다.대부분의 발전소에는 기계적 전력을 3상 전력으로 변환하는 하나 이상의 발전기 또는 방적기가 있습니다.자기장과 도체 사이의 상대적인 운동은 전류를 만듭니다.제너레이터를 회전시키기 위해 활용되는 에너지원은 매우 다양합니다.세계 대부분의 발전소는 전기를 생산하기 위해 석탄, 석유, 천연 가스와 같은 화석 연료를 태웁니다.청정원에는 원자력과 태양, 바람, 파도, 흐르는 물과 같은 재생 에너지가 포함됩니다.
차량용 발전기
차도차량
자동차는 계기를 작동시키고, 엔진 자체를 작동시키고, 배터리를 충전하기 위해 전기 에너지를 필요로 합니다.1960년대까지 자동차는 전자 기계식 조정기가 달린 DC 발전기(다이나모)를 사용하는 경향이 있었습니다.위의 역사적 경향에 따라 그리고 많은 같은 이유로 인해, 이러한 것들은 이제 정류 회로가 내장된 교류 발전기로 대체되었습니다.
자전거
자전거는 주행등과 다른 장비들을 작동시키기 위해 에너지를 필요로 합니다.자전거에 사용되는 일반적인 제너레이터에는 필요에 따라 자전거의 타이어를 연결하는 병 다이너모와 자전거의 드라이브 트레인에 직접 연결되는 허브 다이너모 두 가지가 있습니다.이들은 다이너모와 같은 자기 여기형 DC 기계가 아닌 작은 영구 자석 교류기이기 때문에 일반적인 이름입니다.일부 전기 자전거는 회생 제동이 가능하며, 여기서 구동 모터를 발전기로 사용하여 제동 중에 일부 에너지를 회수할 수 있습니다.
돛단배
범선은 물이나 풍력 발전기를 사용하여 배터리를 조금씩 충전할 수 있습니다.소형 프로펠러, 풍력 터빈 또는 터빈은 일반적인 풍력 또는 순항 속도로 전류를 공급하기 위해 저전력 발전기에 연결됩니다.
레저용 차량
레저용 차량에는 에어컨 장치와 냉장고를 포함한 내장 액세서리에 전원을 공급하기 위한 추가 전원 공급 장치가 필요합니다.RV 전원 플러그는 안정적인 전원 [19]공급을 위해 전기 발전기에 연결됩니다.
전동스쿠터
회생제동 기능을 갖춘 전동 스쿠터가 전 세계적으로 인기를 끌고 있습니다.엔지니어들은 스쿠터에 있는 운동 에너지 회수 시스템을 이용해 에너지 소비를 줄이고, 추가 사용을 위해 전기 에너지를 발생시키는 자기 브레이크를 이용해 에너지를 회수하는 것만으로 범위를 40~60%까지 늘립니다.현대 차량의 속도는 시속 25~30km에 이르며 35~40km까지 달릴 수 있습니다.
겐셋
엔진 발전기(engine-generator)는 전기 발전기와 엔진(prime mover)이 함께 장착되어 하나의 자체 장비를 구성하는 조합입니다.사용되는 엔진은 보통 피스톤 엔진이지만 가스 터빈도 사용할 수 있으며 이중 연료 장치라고 불리는 하이브리드 디젤 가스 장치도 있습니다.매우 작은 크기의 휴대용 가솔린 동력 장치에서부터 대형 터빈 설비에 이르기까지 다양한 버전의 엔진 제너레이터를 사용할 수 있습니다.엔진 발전기의 가장 큰 장점은 독립적으로 전기를 공급할 수 있다는 점이며, 이를 통해 장치가 백업 전원 [20]역할을 수행할 수 있습니다.
사람이 동력을 사용하는 발전기
발전기는 또한 사람의 근육 힘에 의해 구동될 수 있습니다 (예를 들어, 현장 라디오 방송국 장비에서).
인간의 동력 전기 발전기는 상업적으로 이용 가능하며, 몇몇 DIY 애호가들의 프로젝트였습니다.일반적으로 페달 동력, 변환된 자전거 트레이너 또는 풋 펌프를 통해 작동되는 이러한 발전기는 배터리를 충전하는 데 실질적으로 사용될 수 있으며 경우에 따라 일체형 인버터로 설계됩니다.평균적인 "건강한 인간"은 8시간 내내 일정한 75와트(0.1마력)를 생산할 수 있는 반면, "일등 운동선수"는 비슷한 기간 동안 약 298와트(0.4마력)를 생산할 수 있으며, 그 후에는 정해진 기간 동안 휴식과 회복이 필요할 것입니다.298와트에서, 평균적인 "건강한 인간"은 10분 [22]이내에 탈진합니다.발전기의 효율 때문에 생산할 수 있는 순 전력은 더 적을 것입니다.크랭크가 있는 휴대용 라디오 수신기는 배터리 구입 요구 사항을 줄이기 위해 제작되었습니다(시계열 라디오 참조).20세기 중반 동안 페달로 움직이는 라디오는 호주 오지 전역에서 원격 스테이션과 마을에서 학교 교육(스쿨 오브 더 에어), 의료 및 기타 필요를 제공하기 위해 사용되었습니다.
기계계측
타코제너레이터는 축 속도에 비례하는 출력 전압을 생성하는 전기 기계 장치입니다.속도 표시기 또는 피드백 속도 제어 시스템에 사용될 수 있습니다.타코 제너레이터는 전기 모터, 엔진 및 이들이 구동하는 장비의 속도를 측정하기 위해 타코미터에 전력을 공급하기 위해 자주 사용됩니다.발전기는 축 속도에 대략 비례하는 전압을 생성합니다.정밀한 구조 및 설계를 통해 특정 범위의 축 [citation needed]속도에 대해 매우 정밀한 전압을 생성할 수 있습니다.
등가 회로
발전기와 부하의 등가 회로가 인접한 다이어그램에 나와 있습니다.발전기는 이상적인 전압원과 내부 임피던스로 구성된 추상적인 발전기로 표현됩니다.의 R_G개의 파라미터는 권선 저항(작동 온도로 보정)을 측정하고 정의된 전류 부하에 대한 개방 회로 및 부하 전압을 측정하여 결정할 수 .
이 모델은 생성기의 가장 간단한 모델이므로 정확한 표현을 위해 요소를 추가해야 할 수도 있습니다.특히, 기계의 권선 및 자기 누설 [23]플럭스를 허용하기 위해 인덕턴스를 추가할 수 있지만, 완전한 표현은 [24]이보다 훨씬 복잡해질 수 있습니다.
참고 항목
참고문헌
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