발전기

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1. 개요

발전기는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 1860년대 후반 제노브 테오필 그람이 제작한 그람 발전기가 최초의 실용적인 발전기로, 이후 다양한 발전 방식이 개발되었다. 발전기는 전력의 종류, 동력원, 구조에 따라 직류 및 교류 발전기, 인력, 수력, 풍력, 내연력, 기력 발전 등 여러 종류로 나뉜다. 발전소, 자동차, 자전거 등 다양한 분야에서 활용되며, 과속, 과전류, 과전압 등으로부터 보호하기 위한 여러 장치가 갖춰져 있다.

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발전기
개요
발전기의 주요 구성 요소
정의	다른 형태의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치
작동 원리	전자기 유도 현상 이용
주요 구성 요소	회전자 고정자 계자
역사
최초의 발전기	마이클 패러데이가 1831년에 발명한 패러데이 디스크
상용화	1870년대에 제너럴 일렉트릭과 같은 회사에서 상용화
작동 원리 상세
전자기 유도	자기장 속에서 도체가 움직일 때 전압이 유도되는 현상
코일 회전	코일이 자기장 속에서 회전하면서 전압 생성
발전기의 종류	교류 발전기 직류 발전기
교류 발전기
원리	코일이 회전하면서 시간에 따라 변화하는 전류 생성
출력 형태	사인파 형태의 교류 전압
활용	대규모 발전소 자동차 가정용 전원
직류 발전기
원리	정류자를 이용하여 교류를 직류로 변환
출력 형태	직류 전압
활용	배터리 충전 특수 장비
발전기의 종류
동기 발전기	회전 속도와 출력 주파수가 일치하는 발전기
비동기 발전기	회전 속도가 출력 주파수와 일치하지 않는 발전기
선형 발전기	직선 운동을 이용하여 전기를 생성하는 발전기
에너지 변환 방식에 따른 분류
기계적 에너지 이용	수력 발전기 풍력 발전기 화력 발전기
화학 에너지 이용	연료 전지
태양 에너지 이용	태양광 발전기 (정확히는 태양광 패널)
원자력 에너지 이용	원자력 발전기
지열 에너지 이용	지열 발전기
주요 응용 분야
전력 생산	발전소에서 대량의 전기 에너지 생산
이동 수단	자동차, 선박, 항공기 등에 사용
비상 전원	정전 시 비상 전원 공급
휴대용 전자기기	휴대폰 노트북 등의 배터리 충전
발전기 기술 동향
고효율 발전기	에너지 효율을 높이는 기술 개발
친환경 발전기	환경 오염을 줄이는 기술 개발
소형화 발전기	휴대용 전자기기용 소형 발전기 개발

2. 역사

발전기의 역사는 전기와 자기의 상호작용에 대한 이해로부터 시작되었다. 1831년 마이클 패러데이는 전자기 유도 현상을 발견하고, 이를 바탕으로 최초의 발전기인 패러데이 원반을 발명했다.

최초의 실용적인 발전기는 1860년대 후반 프랑스의 제노브 테오필 그람이 제작한 그람 발전기이다. 1866년 지멘스는 전자석을 사용한 대형 발전기를 완성했는데, 이는 제임스 와트의 증기기관에 비견될 만한 획기적인 발전이었다. 1870년 벨기에의 그람은 고리형 코일 발전기를, 1873년 독일의 알테네크는 드럼형 코일 발전기를 발명했다.

1882년 토머스 에디슨은 뉴욕시에 최초의 대규모 화력발전소를 건설하고, 직류 송전 계통을 구축하여 기업화했다. 이후, 미국의 조지 웨스팅하우스에 의해 교류 송전 방식이 실현되었다. 1891년 니콜라 테슬라는 삼상교류 방식의 교류 발전기를 개발하여 상업화에 성공했고, 이는 산업 발전에 크게 기여했다.

1894년 루돌프 디젤은 디젤 엔진을 개발하여 발전기 효율을 높였다. 오늘날 디젤 엔진 발전기는 자가발전설비로서 비상용 발전기로 많이 사용되고 있다.

한국의 발전기 도입은 1899년 5월 17일 동대문에 발전소 개설이 효시였다. 이는 1898년(고종 34년) 한성전기회사에 의한 설치였으며, 1903년에는 제2발전소가 마포에 세워졌다. 한국 최초의 수력 발전소는 1923년 금강산전기철도회사의 금강산 중대리 발전소이며, 1929년에는 부전강 제1발전소가 송전을 시작하였다. 압록강에는 60만㎾의 시설용량을 가진 수풍 발전소(1941년 완성)가 있다.

2. 1. 정전기 발전기

자기와 전기의 관계가 발견되기 전에는 정전기학의 원리를 이용한 정전기 발전기가 발명되었다. 정전기 발전기는 높은 전압에서 낮은 전류의 전기를 발생시킨다. 벨트나 판, 원반에 전하를 축적하여 수송하고, 고전위차를 발생시킨다. 전하는 다음 두 가지 방법 중 하나로 발생한다.

정전기 유도
마찰대전 - 이 경우, 두 개의 절연체를 접촉시켜도, 둘 다 대전된 상태로 남는다.

효율이 낮고, 고전압을 발생시키는 기계를 절연하는 것이 어렵기 때문에, 정전기 발전기가 발생시키는 전력량은 작아 전력을 상업적으로 공급하는 수단으로는 사용되지 않았다. 그중에서도 오랫동안 사용된 것으로는 윔즈허스트식 유도발전기와 반데그라프 발전기가 있다.

2. 2. 패러데이 원반

마이클 패러데이는 패러데이 법칙이라 불리는 전자기 유도 법칙을 발견했다. 이 법칙은 변화하는 자속을 둘러싸는 전기 전도체에 기전력이 생성된다는 것이다.

패러데이 원반은 최초의 발전기였다. 말굽 모양 자석 (A)는 원반 (D)을 통해 자기장을 생성했다. 원반이 회전하면 이것은 중심에서 가장자리로 방사형으로 외부로 전류를 유도했다. 전류는 미끄럼 스프링 접점 m을 통해 외부 회로로 흘러 나가고 축을 통해 원반 중앙으로 다시 들어갔다.

패러데이는 최초의 전자기 발전기인 패러데이 원반을 만들었다. 이것은 말굽 자석의 극 사이에서 회전하는 구리 원반을 사용하는 단극 발전기의 한 유형이다. 이것은 작은 DC 전압을 생성했다.

이 설계는 자기장의 영향을 받지 않는 원반 영역에서 자체적으로 상쇄되는 전류의 역류로 인해 비효율적이었다. 자석 바로 아래에서 전류가 유도되는 동안, 자기장의 영향을 받지 않는 영역에서는 전류가 역방향으로 순환한다. 이러한 역류는 집전선으로의 전력 출력을 제한하고 구리 원반의 폐열을 유발했다. 후기 단극 발전기는 원반 주변에 배열된 자석 어레이를 사용하여 한 전류 흐름 방향으로 일정한 자기장 효과를 유지함으로써 이 문제를 해결했다.

또 다른 단점은 자속을 통과하는 단일 전류 경로로 인해 출력 전압이 매우 낮았다는 것이다. 실험자들은 코일의 여러 번의 와이어를 사용하면 더 높고 유용한 전압을 생성할 수 있다는 것을 발견했다. 출력 전압은 회전 수에 비례하므로 발전기는 회전 수를 변경하여 원하는 전압을 생성하도록 쉽게 설계할 수 있다. 와이어 권선은 그 이후의 모든 발전기 설계의 기본적인 특징이 되었다.

2. 3. 예들리크와 자기 여기

야노시 예들리크는 1827년부터 전자기 회전 장치에 대한 실험을 시작했다.^[2] 그는 전자기 자기 회전자라고 명명한 단극 전동기 시동기(1852년과 1854년 사이에 완성됨)의 시제품에서 정지 부분과 회전 부분 모두 전자기적이었다. 이는 영구 자석 설계를 대체한 다이나모 자기 여기 원리의 발견이었다.^[2] 그는 또한 1861년에 다이나모의 개념을 (지멘스와 휘트스톤보다 먼저) 고안했을 수도 있지만, 자신이 처음이 아니라고 생각했기 때문에 특허를 받지 않았다.^[3]

기본적으로 그 개념은 영구 자석 대신 두 개의 전자석을 사용하여 회전자 주위의 자기장을 유도하는 것이다.^[27] 예드리크의 발명은 당시 수준보다 수십 년 앞서 있었다.

2. 4. 직류 발전기

자기장 내에서 회전하는 코일은 교류를 생성하는데, 이 전류는 180° 회전마다 방향이 바뀐다. 그러나 초기 전기 사용에는 직류가 필요한 경우가 많았다. ''발전기''라고 불리는 최초의 실용적인 발전기에서는 정류자, 즉 전기자 축에 있는 회전하는 스위치 접점을 사용하여 교류를 직류로 변환했다. 정류자는 축이 180° 회전할 때마다 전기자 권선의 회로 연결을 반전시켜 맥동하는 직류 전류를 생성했다. 최초의 발전기 중 하나는 1832년 이폴리트 픽시(Hippolyte Pixii)가 제작했다.

이폴리트 픽시(Hippolyte Pixii)의 발전기. 정류자는 회전하는 자석 아래 축에 위치해 있다.

이 큰 벨트 구동 고전류 발전기는 7볼트에서 310암페어를 생성했다. 고출력 어플리케이션에 필요한 정류자의 크기와 복잡성 때문에 발전기는 더 이상 사용되지 않는다.

2. 5. 교류 발전기

일련의 발견을 통해 다이나모는 여러 후속 발명품, 특히 교류를 생성할 수 있는 교류 발전기로 이어졌다. 교류 발전기는 일반적으로 동기 발전기(SG)로 알려져 있다. 동기기는 직접 계통에 연결되며, 시동 중에 제대로 동기화되어야 한다.^[11] 또한, 전력 시스템의 안정성을 향상시키기 위해 특수 제어를 통해 여기된다.^[12]

마이클 패러데이는 전류의 자기 유도를 최초로 발견하였고, 이를 바탕으로 초기 교류 발전기를 만들었다. 그의 기계는 "회전하는 직사각형"이었는데, 각 활성 도체가 자기장이 반대 방향인 영역을 차례로 통과하는 '이종극성' 방식으로 작동했다.^[13]

1882년, 영국의 전기 기술자 J. E. H. 고든은 대형 2상 교류 발전기를 제작했다. 1886년에는 웨스팅하우스 일렉트릭의 직원인 윌리엄 스탠리 주니어가 최초로 "교류 발전 시스템" 공개 시연을 진행했다.^[14]

세바스찬 지아니 드 페란티는 1882년 저명한 물리학자 켈빈 경의 도움을 받아 '페란티-톰슨 교류 발전기'를 발명하고, '페란티, 톰슨 앤 인스'를 설립하여 판매했다.^[15] 그의 초기 교류 발전기는 100~300 Hz의 주파수를 생성했다. 페란티는 1887년 런던 전력 공급 회사를 위해 교류 시스템을 사용하는 뎁트퍼드 발전소를 설계했는데, 1891년 완공 당시 이 발전소는 고전압 교류 전력을 공급하고 각 거리에서 소비자 사용을 위해 "강압"하는 최초의 진정한 현대식 발전소였다. 이 기본 시스템은 오늘날 전 세계적으로 사용되고 있다.

소형 초기 1900년대 75 kVA 직접 구동 발전소 교류 발전기, 별도의 벨트 구동 여기 발전기 포함.

1891년 이후, 여러 다른 위상의 전류를 공급하기 위해 다상 교류 발전기가 도입되었다.^[16] 후기 교류 발전기는 아크 조명, 백열등 및 전동기에 사용하기 위해 16~약 100헤르츠 사이의 다양한 교류 주파수를 위해 설계되었다.^[17]

3. 발전기의 종류

발전기는 전력의 종류, 동력원, 구조 등에 따라 다양하게 분류된다.

전력의 종류에 따른 분류
* 직류 발전기
* 교류 발전기

동력원에 따른 분류
* 인력 발전
* 수력 발전
* 풍력 발전
* 내연력 발전
* 기력 발전
* 폭약 발전

구조에 따른 분류
* 다이나모
* 알터네이터

3. 1. 전력의 종류에 따른 분류

발전기는 전력의 종류에 따라 크게 직류 발전기와 교류 발전기로 나뉜다.

직류 발전기: 정류자를 사용하여 직류를 생성한다. 1844년 울리치 전기 발전기(Woolrich Electrical Generator)는 버밍햄 과학 박물관에 있으며, 산업 공정에 사용된 최초의 발전기이다.^[4]^[5]^[6]^[7]
교류 발전기: 교류를 생성한다.
동기 발전기: 계통에 직접 연결되며, 시동 중에 제대로 동기화되어야 한다.^[11] 전력 시스템의 안정성을 향상시키기 위해 특수 제어를 통해 여기된다.^[12]
유도 발전기
고주파 발전기

3. 2. 동력원에 따른 분류

발전기는 다양한 동력원을 이용하여 전기를 생산한다. 주요 동력원에 따른 발전기 분류는 다음과 같다.

인력 발전: 사람의 힘으로 발전기를 작동시킨다. 예시로는 자전거 다이나모, 정전 시나 재해 시 사용하는 수동 발전기 등이 있다.
수력 발전: 수차를 이용하여 발전기를 돌린다.
풍력 발전: 풍력 원동기를 이용하여 발전기를 돌린다.
내연력 발전: 내연 기관을 이용하여 발전기를 돌린다. 가스터빈 발전기도 여기에 포함된다.
내연 기관과 결합된 발전기는 발동 발전기(발발-발발) 또는 제네레이터 세트(Genset, 제네셋, 발전 세트)라고도 불린다.
사용 연료: A중유, 경유, 가솔린, LP가스(프로판, 부탄), 천연가스(LNG, CNG), 수소.
내연 기관으로 주행하는 자동차나 오토바이에 탑재된 알터네이터도 내연 기관으로부터 동력을 얻는다.
기력 발전: 증기 터빈을 이용하여 발전기를 돌린다. 화력 발전과 원자력 발전이 이 방식에 해당한다.
폭약 발전: 폭약의 폭발력을 이용하여 발전기를 돌린다.

자전거 다이나모. 영어권에서는 '''보틀 다이나모'''(:en:Bottle dynamo)라고 부른다.

최근 자전거의 '''허브 다이나모'''. 바퀴의 허브(바퀴 중앙, 스포크가 모이는 부품) 내부에 발전기가 내장되어 있다.

내연 자동차의 '''알터네이터'''. 차량 전장용 배터리 충전에 사용된다.

3. 3. 구조에 따른 분류

전자기 발전기는 크게 다이나모와 알터네이터 두 가지로 분류된다.

다이나모는 정류자를 사용하여 맥동하는 직류를 생성한다.
알터네이터는 교류를 생성한다.

기계적으로 발전기는 회전하는 부분과 고정된 부분으로 구성되며, 이 두 부분이 함께 자기 회로를 형성한다.

회전자: 전기 기계의 회전하는 부분.
고정자: 전기 기계의 고정된 부분으로 회전자를 둘러싼다.

이 부분들 중 하나는 자기장을 생성하고, 다른 부분에는 변화하는 자기장에 의해 전류가 유도되는 와이어 권선이 있다.

계자 권선 또는 계자 (영구) 자석: 전기 기계의 자기장을 생성하는 구성 요소이다. 다이나모 또는 알터네이터의 자기장은 계자권선이라고 하는 와이어 권선 또는 영구 자석에 의해 제공될 수 있다. 전기적으로 여기된 발전기에는 계자속을 생성하기 위한 여기 시스템이 포함된다. 영구 자석(PM)을 사용하는 발전기를 때로는 자력 발전기 또는 영구 자석 동기 발전기(PMSG)라고 한다.
전기자: 전기 기계의 전력을 생성하는 구성 요소이다. 발전기, 알터네이터 또는 다이나모에서 전기자 권선은 외부 회로에 전력을 공급하는 전류를 생성한다.

전기자는 설계에 따라 회전자 또는 고정자에 있을 수 있으며, 계자 권선 또는 자석은 다른 부분에 있다.

4. 발전기의 원리 및 구조

전자기 발전기는 크게 다이나모와 알터네이터 두 가지로 분류된다.

다이나모는 정류자를 사용하여 맥동하는 직류를 생성한다.
알터네이터는 교류를 생성한다.

발전기는 회전하는 부분(회전자)과 고정된 부분(고정자)으로 구성되며, 이 두 부분은 함께 자기 회로를 형성한다. 회전자와 고정자 중 하나는 자기장을 생성하고, 다른 하나는 변화하는 자기장에 의해 전류가 유도되는 와이어 권선을 가진다.

마이클 패러데이는 1831년에서 1832년 사이에 전자기 발전기의 작동 원리(패러데이 유도 법칙)를 발견했다. 이 법칙에 따르면, 변화하는 자속을 둘러싸는 전기 전도체에 기전력이 생성된다.

패러데이는 최초의 전자기 발전기인 패러데이 원반을 만들었다. 이것은 말굽 자석의 극 사이에서 회전하는 구리 원반을 사용하는 단극 발전기의 한 유형으로, 작은 DC 전압을 생성했다. 그러나 이 설계는 자기장의 영향을 받지 않는 원반 영역에서 자체적으로 상쇄되는 전류의 역류로 인해 비효율적이었다. 후기 단극 발전기는 원반 주변에 배열된 자석 어레이를 사용하여 이 문제를 해결했다. 또 다른 단점은 출력 전압이 매우 낮았다는 것인데, 이는 자속을 통과하는 단일 전류 경로 때문이었다. 이후, 코일의 여러 번의 와이어를 사용하면 더 높고 유용한 전압을 생성할 수 있다는 사실이 발견되었고, 와이어 권선은 그 이후의 모든 발전기 설계의 기본적인 특징이 되었다.

자기장 내에서 회전하는 코일은 180° 회전마다 방향이 바뀌는 교류(AC) 전류를 생성한다. 초기에는 직류(DC)가 필요한 경우가 많았기 때문에, ''발전기''라고 불리는 최초의 실용적인 발전기에서는 정류자를 사용하여 교류를 직류로 변환했다. 최초의 발전기 중 하나는 이폴리트 픽시(Hippolyte Pixii)가 1832년에 제작했다.

울리치 전기 발전기(Woolrich Electrical Generator)는 산업에 전력을 공급할 수 있는 최초의 발전기였다. 1844년에 제작된 이 발전기는 현재 씽크탱크, 버밍햄 과학 박물관에 있으며, 엘킹턴(Elkingtons) 회사에서 상업용 전기도금에 사용되었다.^[4]

산업용으로 적합한 현대식 발전기는 찰스 휘트스톤 경(Sir Charles Wheatstone), 베르너 폰 시멘스(Werner von Siemens) 및 새뮤얼 알프레드 벌리(Samuel Alfred Varley)에 의해 독립적으로 발명되었다. 이들은 "다이나모 전기 기계"를 개발했는데, 이는 영구 자석 대신 자체 전원을 공급하는 전자기장 코일을 사용하여 고정자 자기장을 생성하는 방식이었다.^[10] 이 방식은 발전기의 출력을 크게 증가시켜 최초로 고출력 발전이 가능하게 했으며, 전기의 주요 산업적 사용으로 이어졌다.

교류는 장거리 송전 시 손실을 줄이기 위해 매우 높은 전압으로 쉽게 변환될 수 있기 때문에 전력 분배에 거의 보편적으로 사용되고 있으며, 이에 따라 대형 직류 발전기는 이제 거의 볼 수 없다.

다이나모는 여러 후속 발명품, 특히 교류를 생성할 수 있는 교류 발전기(동기 발전기(SG))로 이어졌다. 동기기는 직접 계통에 연결되며, 시동 중에 제대로 동기화되어야 하고, 전력 시스템의 안정성을 향상시키기 위해 특수 제어를 통해 여기된다.^[11]^[12]

교류 발전 시스템은 마이클 패러데이의 전자기 유도에 대한 최초의 발견으로부터 간단한 형태로 알려져 있었다. 패러데이 자신도 초기 교류 발전기를 만들었는데, 그의 기계는 "회전하는 직사각형"으로, 각 활성 도체가 자기장이 반대 방향인 영역을 차례로 통과하는 '이종극성' 방식이었다.^[13]

J. E. H. 고든은 1882년에 대형 2상 교류 발전기를 제작했고, 최초의 "교류 발전 시스템" 공개 시연은 1886년 웨스팅하우스 일렉트릭의 직원인 윌리엄 스탠리 주니어가 진행했다.^[14]

세바스찬 지아니 드 페란티는 1882년 켈빈 경의 도움을 받아 발명한 '페란티-톰슨 교류 발전기'를 판매하기 위해 회사를 설립했다.^[15] 그의 초기 교류 발전기는 100~300 Hz의 주파수를 생성했다. 페란티는 1887년 런던 전력 공급 회사를 위해 교류 시스템을 사용하는 뎁트퍼드 발전소를 설계했는데, 1891년 완공 당시, 이 발전소는 고전압 교류 전력을 공급하고 각 거리에서 소비자 사용을 위해 "강압"하는 최초의 진정한 현대식 발전소였다. 이 기본 시스템은 오늘날 전 세계적으로 사용되고 있다.

1891년 이후, 여러 다른 위상의 전류를 공급하기 위해 다상 교류 발전기가 도입되었다.^[16] 후기 교류 발전기는 아크 조명, 백열등 및 전동기에 사용하기 위해 16~약 100헤르츠 사이의 다양한 교류 주파수를 위해 설계되었다.^[17]

4. 1. 계자와 전기자

발전기는 코일을 돌리거나, 코일 사이에서 자극을 돌려 전류를 얻는 장치이다. 이때 전류를 빼내는 쪽을 전기자, 자기장을 만드는 쪽을 계자라고 한다. 전기자는 자속을 강화하기 위해 철심에 절연된 전기자 코일을 감아 만든다. 계자에는 철심에 코일을 감고 직류 전류를 흘려보내는 전자석이 사용된다.

기계적으로 발전기는 회전하는 부분과 고정된 부분으로 구성된다.

회전자: 전기 기계의 회전하는 부분.
고정자: 전기 기계의 고정된 부분.

이 부분들 중 하나는 자기장을 생성하고, 다른 부분에는 와이어 권선이 있어 변화하는 자기장에 의해 전류가 유도된다.

계자 권선 또는 계자 (영구) 자석: 전기 기계의 자기장을 생성하는 구성 요소이다. 자기장은 계자권선이라고 하는 와이어 권선 또는 영구 자석에 의해 제공될 수 있다.
전기자: 전기 기계의 전력을 생성하는 구성 요소이다. 발전기에서 전기자 권선은 외부 회로에 전력을 공급하는 전류를 생성한다.

전기자는 설계에 따라 회전자 또는 고정자에 있을 수 있으며, 계자 권선 또는 자석은 다른 부분에 있다.^[1]

4. 2. 직류 발전기의 구조

직류 발전기는 정류자를 사용하여 교류를 직류로 변환한다.^[4] 정류자는 교류발전기의 슬립 링처럼 전선과 함께 회전한다. 정류자는 두 부분으로 나뉘어 각각 절연되어 있는데, 고리 모양의 전선 양쪽 끝부분은 각각 다른 쪽 정류자에 연결되어 있다.

외부에 연결된 탄소 브러시 두 개가 회전하는 정류자에 닿아 있어 한쪽 브러시를 통해서 발전기의 전류가 나오고, 다른 쪽 브러시로 전류가 들어간다. 정류자는 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌더라도 외부로 나가는 전류가 일정한 방향을 유지하도록 설계되어 있다.^[4]

4. 3. 교류 발전기의 구조

교류 발전기는 회전하는 부분과 고정된 부분으로 구성되며, 이 두 부분은 함께 자기 회로를 형성한다.

'''회전자''': 전기 기계의 회전하는 부분.
'''고정자''': 전기 기계의 고정된 부분으로 회전자를 둘러싼다.

이 부분들 중 하나는 자기장을 생성하고, 다른 부분에는 변화하는 자기장에 의해 전류가 유도되는 와이어 권선이 있다.

'''계자 권선''' 또는 계자 (영구) 자석: 전기 기계의 자기장을 생성하는 구성 요소이다. 다이나모 또는 알터네이터의 자기장은 계자권선이라고 하는 와이어 권선 또는 영구 자석에 의해 제공될 수 있다. 전기적으로 여기된 발전기에는 계자속을 생성하기 위한 여기 시스템이 포함된다. 영구 자석(PM)을 사용하는 발전기를 때로는 자력 발전기 또는 영구 자석 동기 발전기(PMSG)라고 한다.
'''전기자''': 전기 기계의 전력을 생성하는 구성 요소이다. 발전기, 알터네이터 또는 다이나모에서 전기자 권선은 외부 회로에 전력을 공급하는 전류를 생성한다.

전기자는 설계에 따라 회전자 또는 고정자에 있을 수 있으며, 계자 권선 또는 자석은 다른 부분에 있다.

4. 4. 자기 여기

대규모 발전에서는 영구 자석이 제공하는 자기장의 한계 때문에, 발전기 출력의 일부를 전자석 계자권선으로 돌려 더 많은 전력을 생산하는 자기여자 방식을 사용한다.^[2]

계자 권선은 전기자 권선과 직렬 또는 병렬로 연결된다. 발전기가 처음 회전하기 시작하면 철심에 남아있는 약간의 잔류자기가 초기 자기장을 제공하여 전기자에 작은 전류를 만든다. 이 전류가 계자 권선을 통해 흐르면서 더 큰 자기장을 생성하고, 이는 다시 더 큰 전기자 전류를 유도한다. 이 과정은 포화로 인해 코어의 자기장이 일정해지고 발전기가 안정적인 전력 출력에 도달할 때까지 반복된다.

매우 큰 발전소에서는 더 큰 발전기의 계자 권선을 여기시키기 위해 별도의 작은 발전기를 사용하기도 한다. 대규모 정전 발생 시, 발전소는 블랙 스타트를 통해 가장 큰 발전기의 계자를 여기시켜 전력 서비스를 복구해야 할 수 있다.

5. 발전기의 활용

발전기는 발전소, 자동차, 선박, 비상 전원 등 다양한 분야에서 활용된다.

'''발전소:''' 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석 연료를 연소시키거나, 원자력, 태양광 발전, 풍력 발전, 파력 발전, 수력 발전과 같은 에너지를 이용하여 전기를 생산한다.
'''자동차:''' 1960년대까지는 직류 발전기(다이나모)를 사용했으나, 현재는 내장된 정류기 회로를 갖춘 교류 발전기(알터네이터)를 사용한다.^[1]
'''기타:'''
자전거: 바틀 다이내모나 허브 다이내모를 사용하여 주행등 및 기타 장비에 전력을 공급한다. 일부 전기 자전거는 회생 제동 기능을 갖추고 있다.^[20]
요트: 배터리 충전을 위해 수력 또는 풍력 발전기를 사용한다.
레저용 차량(RV): 차량 내 장비 작동을 위해 발전기를 연결하여 안정적인 전력을 공급받는다.^[20]
전동 킥보드: 운동 에너지 회수 시스템을 사용하여 에너지 소비를 줄이고 주행 거리를 늘린다.
엔진발전기: 엔진과 발전기를 결합하여 자체적으로 전력을 공급하는 장치로, 예비 전원으로 사용될 수 있다.^[21]

5. 1. 발전소

남아프리카 공화국 케이프타운에 있는 애슬론 발전소 (Athlone Power Station)

미국 애리조나주 페이지에 있는 글렌 캐년 댐 (Glen Canyon Dam)의 수력발전소

발전소(power station)는 전기를 발전하는 산업 시설이다. 대부분의 발전소는 하나 이상의 발전기를 포함하고 있는데, 이 발전기는 기계적 에너지를 3상 교류 전력으로 변환하는 회전 기계이다. 자기장과 전도체 사이에서 상대 운동하면 전류가 발생한다. 발전기를 돌리는 데 사용되는 에너지원은 매우 다양하다. 세계의 대부분의 발전소는 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석 연료를 연소시켜 전기를 생산한다. 더 깨끗한 에너지원으로는 원자력이 있으며, 태양광 발전, 풍력 발전, 파력 발전, 수력 발전과 같은 신재생에너지를 사용하는 경우도 늘어나고 있다.

5. 2. 자동차용 발전기

자동차는 계기판에 전력을 공급하고, 엔진 자체를 작동시키며, 배터리를 충전하기 위해 전기에너지가 필요하다. 1960년대까지 자동차는 전기 기계식 조정기를 사용하는 직류 발전기(다이나모)를 사용했다. 그러나 현재는 이러한 발전기 대신 내장된 정류기 회로를 갖춘 교류 발전기(알터네이터)로 대체되었다.^[1]

5. 3. 기타 활용

자전거는 주행등 및 기타 장비에 전력을 공급하기 위해 바틀 다이내모나 허브 다이내모를 사용한다. 이들은 소형 영구 자석 발전기이며, 다이내모처럼 자기 여기식 직류 발전기가 아니므로 이름은 관례적으로 사용된다. 일부 전기 자전거는 회생 제동 기능을 갖추고 있어, 브레이크 작동 중에 일부 에너지를 회수하기 위해 구동 모터를 발전기로 사용한다.^[20]

요트는 배터리를 소량 충전하기 위해 수력 또는 풍력 발전기를 사용할 수 있다. 소형 프로펠러, 풍력 터빈 또는 터빈을 저전력 발전기에 연결하여 일반적인 풍속 또는 순항 속도에서 전류를 공급한다.

레저용 차량(Recreational vehicles)은 에어컨과 냉장고 등 차량 내 장비를 작동시키기 위해 추가적인 전력 공급이 필요하다. RV 전원 플러그를 발전기에 연결하여 안정적인 전력을 공급받는다.^[20]

전동 킥보드는 운동 에너지 회수 시스템을 사용하여 자기 브레이크로 에너지를 회수함으로써 에너지 소비를 줄이고 주행 거리를 최대 40~60%까지 늘린다. 회수된 에너지는 전기에너지로 변환되어 다시 사용된다. 최신 전동 킥보드는 최대 25km~30km의 속도에 도달하며 최대 35km~40km까지 주행할 수 있다.

엔진발전기(engine-generator)는 전기 발전기와 엔진(원동기)를 하나로 결합하여 자체적으로 작동하는 장비이다. 사용되는 엔진은 일반적으로 피스톤 엔진이지만, 가스터빈도 사용될 수 있으며, 이중연료 장치라고 불리는 디젤-가스 하이브리드 장치도 있다. 엔진발전기는 매우 작은 휴대용 휘발유 구동 장치부터 대형 터빈 설비까지 다양한 버전이 있다. 엔진발전기의 주요 장점은 독립적으로 전력을 공급할 수 있다는 점으로, 이 장치는 예비 전원으로 사용될 수 있다.^[21]

6. 발전기의 사양 및 보호

발전기의 사양(spec)에는 대체로 다음과 같은 항목이 기재된다.

정격 출력
정격 회전수
전원의 종류 (정격 주파수와 역률, 단상 또는 삼상 등)
정격 전압
정격 전류
정격 운전 시간 (1시간 또는 연속 등)
절연체의 내열 등급
절연 등급

발전기는 여러 가지 원인으로 인해 손상될 수 있으므로, 이를 방지하기 위한 다양한 보호 장치가 필요하다.

6. 1. 발전기 보호 장치

발전기는 여러 가지 원인으로 인해 손상될 수 있으므로, 이를 방지하기 위한 다양한 보호 장치가 필요하다. 이러한 보호 장치는 크게 기계적 보호 장치와 전기적 보호 장치로 나눌 수 있다.
기계적 보호 장치

과속도 계전기: 발전기의 회전 속도가 비정상적으로 높아지는 것을 감지하여 발전기를 정지시키는 장치이다.
온도 계전기: 발전기 내부의 온도가 과도하게 상승하는 것을 감지하여 발전기를 보호하는 장치이다.

전기적 보호 장치

종류	설명
과전류 계전기	발전기에 과도한 전류가 흐르는 것을 감지하여 발전기를 보호한다.
과전압 계전기	발전기 전압이 비정상적으로 높아지는 것을 감지하여 발전기를 보호한다.
저전압 계전기	발전기 전압이 비정상적으로 낮아지는 것을 감지하여 발전기를 보호한다.
지락 과전압 계전기	발전기 회로에 누전이 발생하여 전압이 높아지는 것을 감지하여 발전기를 보호한다.
지락 과전류 계전기	발전기 회로에 누전이 발생하여 전류가 높아지는 것을 감지하여 발전기를 보호한다.
역전력 계전기	발전기의 전력 흐름이 역전되는 것을 감지하여 발전기를 보호한다.
주파수 계전기	발전기 주파수가 비정상적으로 변동하는 것을 감지하여 발전기를 보호한다.
여자 과전류 계전기	발전기 여자 회로에 과도한 전류가 흐르는 것을 감지하여 발전기를 보호한다.
여자 지락 계전기	발전기 여자 회로에 누전이 발생하는 것을 감지하여 발전기를 보호한다.
여자 상실 계전기	발전기 여자 회로의 여자(excitation)가 상실되는 것을 감지하여 발전기를 보호한다.
비율차동 계전기	발전기 내부 고장 시 발생하는 전류 차이를 감지하여 발전기를 보호한다.
역과전류 계전기	발전기에 역방향으로 과도한 전류가 흐르는 것을 감지하여 발전기를 보호한다.

참조

_[1] 문서 Also called ''electric generator'', ''electrical generator'', and ''electromagnetic generator''.
_[2] 논문 Anianus Jedlik https://books.google[...] Norman Lockyer 1896-04-02
_[3] 논문 Anianus Jedlik https://books.google[...] Norman Lockyer 1896-04-02
_[4] 문서 Birmingham Museums trust catalogue
_[5] 서적 Michael Faraday and the Royal Institution: The Genius of Man and Place Hilger 1991
_[6] 서적 Exhibiting Electricity IET 1997
_[7] 논문 The early history of gold plating 1973-03
_[8] 논문 II. On the conversion of dynamical into electrical force without the aid of permanent magnetism https://zenodo.org/r[...] 1867
_[9] 논문 III. On the augmentation of the power of a magnet by the reaction thereon of currents induced by the magnet itself 1867
_[10] 논문 1867-01
_[11] 논문 Art of Generator Synchronizing 2017-01
_[12] 논문 Understanding Power-System Stability 2008
_[13] 서적 Dynamo-Electric Machinery
_[14] 웹사이트 Alternating Current Electrification, 1886
_[15] 웹사이트 Ferranti Timeline http://www.mosi.org.[...] 2012-02-22
_[16] 서적 Dynamo-Electric Machinery
_[17] 서적 Dynamo-Electric Machinery
_[18] 논문 Homopolar Machines 1973
_[19] 웹사이트 Magnetohydrodynamic (MHD) Power Generator: More Energy from Less Fuel, Issue Brief Number IB74057 https://digital.libr[...] Library of Congress Congressional Research Service 2008-07-18
_[20] 웹사이트 What Your Camper or RV Needs For Living Off-Grid https://www.thedrive[...] 2023-03-03
_[21] 웹사이트 Hurricane Preparedness: Protection Provided by Power Generators | Power On with Mark Lum http://www.wpowerpro[...] Wpowerproducts.com 2012-08-24
_[22] 뉴스 With Generators Gone, Wall Street Protesters Try Bicycle Power http://cityroom.blog[...] New York Times 2011-11-02
_[23] 웹사이트 Program: hpv (updated 6/22/11) http://www.ohio.edu/[...] Ohio.edu 2012-08-24
_[24] 서적 Handbook of Large Turbo-Generator Operation and Maintenance John Wiley & Sons 2011
_[25] 서적 Handbook of Power System Engineering John Wiley & Sons 2007
_[26] 문서 日本国有鉄道で「電気車」と呼ばれていた電気機関車・電車と、搭載されたディーゼルエンジンで自ら発電を行う電気式（ディーゼル・エレクトリック方式）のディーゼル機関車・気動車がある。
_[27] 논문 Anianus Jedlik https://books.google[...] Norman Lockyer 1896-04-02
_[28] 백과사전 발전기 글로벌 세계 대백과

발전기