발전기의 원리

전기를 만드는 원리는 모두 동일하다. 직류 (DC, direct)라는 전기를 생산하는 태양광이나 연료전지 등과 같은 방법을 빼고는 교류 (AC, alternating current)라는 전기를 생산하기 위해서는 모두 발전기를 돌려서 기계적인 힘을 전기적인 힘으로 바 꾸어 주는 것이다. 원자력, 물, 바람, 석탄, 가스(물을 끓여 만든 증기로 회전시키는 터빈을 이용) 등의 1차 에너지를 이용하여 생산하기 때문에 2차 에너지라고 한다.

자석은 양극과 음극을 가지고 있어 서로 같은 극끼리 는 밀어내고 , 반대의 극성을 가진 경우 서로 당기서 붙으려고 한다. 발전기 안에도 고정되어 있는 자석(고정자) 이 있고 , 회전하는 자석 (회전자) 이 있어 서로 밀고 당기면서 회전자석을 회전시킨다. 이때 회전력을 이용하여 전기를 만들게 된다.

자력을 가진 회전자가 코일 고정자에 가장 가까이 있을 때 자력 사이에 가장 강력한 힘이 작동한다 . 서로 같은 극 (N-N, S-S) 끼리 가까이 왔을 때는 가장 센 힘으로 밀어내게 되고, 다른 극 (N-S, S-N) 끼리 가까이 왔을 때는 가장 센 힘으로 서로를 당기려고 한다. 이러한 두 가지 힘이 서로 교차를 하면서 회전자가 회전을 하게 된다. 이때 가장 강력한 힘에 도달하는 위치가 그림과 같이 전압이 최고점에 도달하게 되는데 이때를 전압이 가장 높다라고 말한다. 회전을 하면서 발전되는 전압은 일정한 주기를 가진 Sine 파형을 가지고 출력을 내보내게 된다 . 그렇게 때문에 모든 전기는 Sine 파, 즉 정현파라고 말한다. 위의 그림은 3상 발전기라고 하는데 , 쉽게 말해 발전기 안에 자석을 양극, 음극을 한 쌍으로 3쌍 , 총 6개를 부착하여 3가지의 Sine 파가 주기적으로 발생하게 하는 구조이다. 

그림에서는 A-a, B-b, C-c 가 각각 하나의 쌍을 이루고 극성을 반대로 가지고 있는 것이다. 이들이 빨간색, 파란색, 녹색의 파형을 만들고 있다. 발전기에서 상(phase)은 코일 고정자의 수로 조정을 하며 , 발전기의 극(polar) 수는 자력 회전자의 수를 가지고 조정한다.

극을 N과 S, 2개 가지고 있는 것을 2극 발전기 , N-S/N-S 4개 가지고 있는 것을 4극 발전기라고 한다.
2극 발전기는 1 회전하면서 권선에 1cycle 의 단상 파형 (single phase, 1 P)을 만들며 , 4 극은 1 회전 하면서 2 cycle 파형을 발생시킨다. 공장 등 큰 부하를 사용하는 곳에서는 3상(3 phase)을 사용하는데 , 6개의 극을 사용한다.

극수를 P개 , 회전수를 Ns rpm(분당 회전수), 주파수를 f라고 하면

이 공식으로 주파수가 결정된다. 우리가 가정에서 사용하는 주파수가 60Hz라는 의미는 2극 발전기가 2 x 3600 / 120 = 60Hz 라는 의미다. 즉 분당 3600 회전을 한다는 뜻이다.