전원의 구분과 특징, 발생원리

전원의 구분과 특징, 발생원리

직류와 교류

직류

- 시간의 변화에 따라 크기와 방향의 변화가 없고 세기가 일정한 전류

교류

- 시간의 변화에 따라 크기와 방향의 변화가 있는 전류로 Sine파 형태를 띔

- 변압기를 이용해 전압의 크기를 쉽게 조절

- 원거리 송전이 가능해 항공기 무게 감소

- 정류장치를 이용해 직류를 얻을 수도 있음

- 항공기에서 115ACV / 3상 / 400Hz를 사용하는 이유는 아래와 같다.

교류

- 최근 항공기는 3상 Brushless Type의 AC Generator를 사용

- 고공에서 공기의 밀도 감소로 인한 저 절연의 아크현상이 없으며 Brush가 없기 때문에 정비가 용이

- 변압이 용이하고 도선의 굵기를 얇게 할 수 있어서 무게 경감 효과

115V

- 전선 굵기에 따른 가장 안정적인 전압이고 220V보다 취급시, 더 안정적

- 같은 전력을 더 멀리 보낼 수 있으며 도선 굵기를 감소시킬 수 있어 전체적 무게 감소

3상

- 효율 우수 / 높은 전력 수요를 감당하기에 적합

400Hz

- 주파수를 높이면 전력이 도선의 중심축으로 흐르기 때문에 도선의 굵기를 가늘게 적용 가능

- 주파수를 높일수록 크기를 최소화 할 수 있지만, 전파에 의한 통신 간섭, 열, 무게 등으로 인해 무한정으로 올리는 것은 불가능

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교류전기

- 피상전력 / 유효전력 / 무효전력으로 구성된다.

- 피상전력 = 유효전력+무효전력

피상전력(VA)

- 전력을 공급하면 전선과 각종 스위치의 전기적 저항이 발생하게 되고 전기적 저항이 일어나게 되면 열이 발생하고 이러한 온도 상승을 고려하여 피상=(허용)전류를 결정

무효전력(VAR)

- 전선에서 발생하는 손실되는 전력

- 전류가 흐르는데 일하지 않는 그냥 왔다갔다 하는 전력

유효전력(W)

- 실제 열을 내고 빛을 내는데 사용된 실제로 일하는 전력

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플레밍의 법칙

플레밍의 왼손 법칙

- 전동기에 적용되며, 자기장내에 있는 도체에 전류가 흐르면 힘(전자력)이 작용하여 도체가 움직이는 원리

플레밍의 오른손 법칙

- 발전기에 적용되며, 자기장 내에 있는 도체를 자속과 직각인 방향으로 움직여 회전시키면서 자속을 끊으면 전자유도현상에 의해 유도기전력이 발생하여 도체에 전류가 흐른다는 원리

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Motor와 Generator

Motor

- 전기 E → 기계 E로 바꿔주는 장치

- 전류가 가해지면 자력이 발생하고 그 자력의 힘에 의해 회전자가 회전하는 플레밍의 왼손 법칙의 원리

Generator

- 기계 E → 전기 E로 바꿔주는 장치

- 자기장에 있는 도체를 자속과 직각 방향으로 움직여 회전시켜 자속을 끊으면 전자 유도 현상에 의해 유도기전력이 발생하는 플레밍의 오른손 법칙의 원리

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DC Motor

- 전기자(회전자), 계자(고정자), Brush 등으로 구성되어 있으며, 정류자와 Brush는 전기자가 180˚ 회전할 때 마다 전류의 방향을 전환시켜 준다.

직권형

- 계자와 전기자가 직렬로 연결

- 시동 토크가 크고 부하 감소 시, 속도가 증가함으로 시동 토크가 크게 필요한 ENG' Starter에 많이 사용

분권형

- 전기자와 계자(코일)이 병렬로 연결

- 부하 변화에 따라 속도의 변화가 작음

- 정속도 작동용 Motor에 주로 사용되며, 직권형보다 회전력이 낮음

복권형

- 전기자와 계자가 직-병렬로 연결

- 직권형과 같이 회전력이 크고 가동 후에는 분권형과 같이 정속도 특성을 나타내어 항공기에 많이 사용

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AC Motor

- 고정자, 회전자, 정류기로 구성되어 있다.

유도형

- Brushless이며, 전원에 직접 연결되고 유압펌프 등 큰 부하에는 3상 유도전동기가 사용

- 구조가 간단 / 유지보수가 간편 / 가격 저렴 / 교류에 대한 작동 특성도 좋기때문에 항공기에 널리 사용

동기형

- 일정한 주파수에서 부하와 상관없이 일정한 속도로 회전

- 항공기에서는 ENG'의 RPM을 표시하는 회전계기에 3상 동기전동기를 사용

만능형(=유니버셜)

- 유도전동기의 고정자와 직류전동기의 전기자를 조합하여 만든 구조

- 직류와 교류 모두에서 사용이 가능

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DC Generator

- 전압조절기 + 역전류차단기 + 전류제한기 + 과전압 방지장치 등으로 구성되어 있다.

Voltage Regulator

- 일정한 전압을 유지시켜주는 역할

- Vibration Type → 솔레노이드와 같이 자화됨에 따라 Open / Close되어 전압을 조절(소형기)

- Carbon Pile Type → Disk가 많아지면 압력이 증가해 Disk 사이의 Air가 줄어들어 저항이 감소되고 결과적으로 전압은 증가

Reverse Current Cutout

- Generator의 전압이 BATT'보다 낮아지면 역전류가 흘러 Motoring 방향이 발생하는데 이것을 방지

Current Limiter

- 과전류가 흐르지 않게 해주는 역할

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AC Generator

- 대부분의 항공기는 각각의 ENG'에 의해 가동되는 교류발전기를 사용하고 APU에 의해 구동되는 보조 교류발전기도 있다. (RAT과 같은 백업용도 있다.)

- 교류발전기는 단상과 3상 교류 발전기로 나뉘며, 3상교류출력을 생산하고 교류기의 각각의 회전마다 장치는 3개의 분리된 전압을 생산하고 이 전압에 대한 Sine파는 120˚씩 나누어져 있다.

- 현대의 교류발전기는 Brush 또는 Slip Ring을 이용하지 않는 Brushless 교류발전기를 사용하고 이는 신뢰성이 있고 아주 적은 유지보수를 필요로 하는 장점이 있다.

- 교류발전기의 구성은 다음과 같다.

PMG

- Rotor 축에 장착되어 있는 6개의 영구자석에 의해 AC Power를 생산해 GCU(Generator Control Unit)로 보내지며, 여기서 DC로 변환 및 전압의 크기를 조절해 Exciter Generator에 공급

Exciter Generator

- Exciter의 Armature에서 정류자에 의해 DC Power가 유도되고 TR(Transformer Rectifier)역할 후, Main Generator로 공급

Main Generator

- Main Generator의 Armature에 의해 3상, 115ACV, 400Hz의 Power가 발전

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AC Generator를 사용하는 이유

- 전압을 자유롭게 높이기 어려운 DC를 사용하면 큰 전류가 필요하게 되고 그에 따라 항공기 모든 이용 부분에 전기를 공급하기 위한 도선은 굵어야하며 그에 따른 무게가 무거워지게 되는 큰 단점이 생긴다.

- 따라서 전압을 높이기 쉬운 AC를 사용하게 되고 DC는 비상용으로 사용한다.

- 또한 3상은 단상에 비해 효율이 우수하고 결선방식에 따라 전압 전류에서 이득을 가지며 높은 전력의 수요를 감당하는데 적합하다.

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Y결선, 멜타결선

Y결선

- 3상 4선식을 말하는 것으로 델타결선과는 반대로 전류는 같고 전압이 다름

- 선간전압이 상전압보다 √3배만큼 크다.

- 즉, Y결선은 큰 전압을 얻기 위해 사용되는 결선

델타결선

- 위상 코일의 시작과 끝을 삼각형 모양으로 결선한 것으로 잘 사용하지 않음

- 선간전압과 상전압은 같으나 전류는 선전류보다 상전류가 √3배 만큼 크다.

- 선간전압이 상전압의 위상보다 30˚만큼 앞서 있다.

- 즉, 델타결선은 큰 전류를 얻기 위해 사용되는 결선

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Rectifier

- 전류의 흐름 방향을 한쪽으로 흐르게 함으로써 AC → DC로 바꾸어 주는 장치이다.

- 대부분의 현대 항공기에는 다이오드를 이용한 정류기를 사용한다.

- TRU(Transformer Rectifier Unit)이란, 115ACV를 약 26ACV로 전압을 낮춰주는 변압기와 26ACV를 26DCV로 바꿔주는 정류기를 포함하고 있는 장치를 말한다.

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Inverter

- DC → AC로 변환시키는 장치이다.

- 교류발전기가 고장 났을 때 교류를 주 전원으로 하는 장비들을 작동시키기 위한 장치이다.

- 회전형 Inverter는 출력에 비해 무겁고 Brush와 같은 마멸 부품이 있어 정기적인 점검이 필요하므로 현재는 콘덴서 / 다이오드 / 트랜지스터 등과 같은 전기 부품의 조합으로 만들어져 무게가 가볍고 신뢰성이 좋으며 효율이 높은 Static Inverter을 많이 사용한다.

- Static Inverter는 비상 시에 사용하며, 배터리로부터 DC Power를 AC Power(단상, 115ACV, 400Hz)로 바꾼다.