DC 발전기는 어떻게 작동합니까
직류 발전기는 어떻게 작동합니까?
직류 발전기 정의
직류 발전기는 전자기 유도의 원리를 사용하여 기계적 에너지를 직류 전기에 변환하는 장치입니다.
페라데이 법칙
이 법칙은 도체가 자기장에서 움직일 때 자기력선을 자르게 되어 도체에 전자기력을 유도한다고 명시합니다.
유도된 전자기력의 크기는 도체와 연결된 자기 유속 변화율에 따라 달라집니다. 도체 회로가 폐쇄되어 있으면 이 전자기력은 전류를 유발합니다.
발전기의 두 가지 가장 중요한 부분은 다음과 같습니다:
자기장
자기장 내부에서 움직이는 도체들
이제 기본 원리를 이해했으니, 직류 발전기의 작동 원칙에 대해 논의할 수 있습니다. 또한 직류 발전기의 종류에 대해서도 알아보는 것이 유용할 수 있습니다.
단일 루프 작동
단일 루프 직류 발전기에서는 루프가 자기장에서 회전하면서 전자기력을 유도하고, 전류 방향은 플레밍의 오른손 법칙에 의해 결정됩니다.
위 그림에서 직사각형 도체 루프가 자석의 반대 극 사이에 위치해 있습니다.
도체 ABCD의 직사각형 루프를 고려해 보겠습니다. 이 루프는 자기장 내에서 축 ab 주변을 회전합니다.
루프가 수직 위치에서 수평 위치로 회전할 때, 자기장의 자기력선을 자릅니다. 이 동작 중 AB와 CD의 두 측면이 자기력선을 자르므로, 루프의 두 측면(AB와 BC)에 전자기력이 유도됩니다.
루프가 폐쇄되면 루프를 통해 전류가 순환하게 됩니다. 전류의 방향은 플레밍의 오른손 법칙으로 결정됩니다.
이 법칙은 오른손의 엄지, 검지, 중지를 서로 수직으로 펴면, 엄지는 도체의 운동 방향, 검지는 N극에서 S극으로의 자기장 방향, 중지는 도체를 통과하는 전류의 방향을 나타냅니다.
이 오른손 법칙을 적용하면, 루프의 수평 위치에서 전류는 A에서 B로, 다른 측면에서는 C에서 D로 흐르게 됩니다.
루프가 더 회전하면 다시 수직 위치로 돌아오지만, 이번에는 루프의 상부가 CD, 하부가 AB(이전 수직 위치와 반대)가 됩니다.
이 위치에서 루프의 측면의 접선 운동은 자기장의 자기력선과 평행하므로, 자기력선을 자르는 문제가 없고 결과적으로 루프에는 전류가 없습니다.
루프가 더 회전하면 다시 수평 위치로 돌아옵니다. 그러나 이번에는 AB 측면이 N극 앞에, CD 측면이 S극 앞에 위치하게 됩니다. 즉, 이전 수평 위치와 반대입니다.
여기서 루프의 측면의 접선 운동은 자기력선과 수직하므로, 자기력선을 자르는 속도가 최대이며, 플레밍의 오른손 법칙에 따르면 이 위치에서 전류는 B에서 A로, 다른 측면에서는 D에서 C로 흐릅니다.
루프가 계속해서 축을 중심으로 회전하면, AB 측면이 S극 앞에 올 때마다 전류는 A에서 B로 흐르고, N극 앞에 올 때마다 전류는 B에서 A로 흐릅니다.
마찬가지로, CD 측면이 S극 앞에 올 때마다 전류는 C에서 D로, N극 앞에 올 때마다 전류는 D에서 C로 흐릅니다.
이 현상을 다르게 관찰하면, 루프의 각 측면이 N극 앞에 올 때마다 전류가 같은 방향으로 흐르며, 즉 참조 평면으로부터 아래쪽으로 흐름을 알 수 있습니다.
마찬가지로, 루프의 각 측면이 S극 앞에 올 때마다 전류가 같은 방향으로 흐르며, 즉 참조 평면으로부터 위쪽으로 흐릅니다. 이를 통해 직류 발전기의 원리에 대해 이야기할 수 있습니다.
이제 루프를 열고 아래 그림과 같이 분할 링과 연결합니다. 분할 링은 도체 실린더를 절반으로 나누어 서로 절연된 세그먼트로 구성됩니다.
외부 부하 단자를 두 개의 탄소 브러시로 연결하고, 이 브러시들은 분할 슬립 링 세그먼트 위에 위치합니다.
커뮤테이터와 브러시
분할 링(커뮤테이터)과 탄소 브러시는 루프가 회전함에 따라 연결을 역전시켜 전류가 일방향으로 유지되도록 합니다.
브러시 위치
브러시는 코일이 자기장과 수직일 때 EMF가 0이 되도록 위치하여 전류가 부드럽게 흐르게 합니다.
직류 발전기의 작동 원리
우리는 첫 번째 반 회전 동안 전류가 항상 ABLMCD로 흐른다는 것을 볼 수 있습니다. 즉, 브러시 1번이 세그먼트 a와 접촉합니다. 다음 반 회전에서는 그림에서 보듯 코일에서 유도된 전류의 방향이 역전되지만, 동시에 세그먼트 a와 b의 위치도 역전되어 브러시 1번이 세그먼트 b와 접촉하게 됩니다.
따라서 부하 저항을 통과하는 전류는 다시 L에서 M으로 흐릅니다. 부하 회로를 통과하는 전류의 파형은 그림과 같습니다. 이 전류는 일방향입니다.
위 내용은 단일 루프 발전기 모델을 통해 설명된 직류 발전기의 기본 작동 원리입니다.
직류 발전기의 브러시 위치는 코일의 회전 평면이 자기력선의 평면과 수직일 때 세그먼트 a와 b가 하나의 브러시에서 다른 브러시로 전환되도록 설정되어 있습니다. 이 위치에서 코일에 유도되는 EMF는 0입니다.
