1. 교류 전압의 발생

도체와 교차하는 자속이 변화하면 전자 유도 작용에 의하여 도체에는 기전력이 발생된다.  발전기는  이 원리를 이용한 것인데, 회전 운동에 의하여 코일에 연속적으로 전압이 발생하도록 시킨다.   발전기는 자력의 발생원이 되는 자석을 고정하고 그 내부에서 코일을 회전시켜서 자력을 발생하는 회전 자석형과, 코일을 고정하고 그 가운데서 자석을 회전시켜서 자력을 발생하는 회전 계자형의 두 가지가 있다.   회전 전기자형은 직류 발전기에, 회전 계자형 교류 발전기에 쓰이는데, 어느 것이나 코일에는 모두 기전력이 발생한다.

그림 1. 교류 발전기의 원리

1) 단상 교류

그림 2. 단상 교류 파형

[그림 1(a)]와 같이 고정된 코일 가운데에서 자석을 회전시키면 코일에는 플레밍의 오른손 법칙에 따른 방향으로 기전력이 발생한다.   자석이 1회전 하는 사이에 코일에는 [그림 2]와 같은 1사이클의 정현파 교류 전압이 발생하고, 이와 같은 교류를 단상 교류라 한다.   회전하는 자석이 N, S 2극의 경우에는 1회전에 1사이클의 정현파 교류 전압이 발생하지만, [그림 3]과 같이 자극의 수를 4극으로 하면 1회전에 2사이클의 교류가 된다.   1초 간에 반복되는 사이클 수를 교류의 주파수라 하고 Hz의 단위를 쓴다.    

그림 3. 자극의 수와 주파수

2) 3상 교류

그림 4. 3상 코일의 배치

[그림 4]와 같이 원통형 철심의 내면에 A-A', B-B', C-C' 3조의 코일을 120°간격으로 배치하고 그 안에서 자석을 회전시키면 코일에는 각각 같은 모양의 단상 교류 전압이 발생된다. 그러나, B 코일에는 A 코일보다 120° 늦은 전압 변화가 생긴다.   이와 같이 A,B,C 3조의 코일에 생기는 교류 파형은 [그림 5]와 같이 되는데 이것을 3상 교류라 한다.   

그림 5. 3상 교류 파형

그리고, 실용되는 발전기는 소형인 특수한 발전기 이외에는 [그림 4]와 같이 영구 자석이 쓰이지 않고 철심에 코일을 감아서 자속의 크기를 제어하는 전자석이 쓰인다.   즉, 회전하는 전자석에 전류를 흘려 주기 위해서는 [그림 6]과 같이 회전축에 조립된 2개의 슬립 링에 코일의 단자를 접속시키고, 슬립 링에 접촉된 브러시를 통하여 코일에 전류를 흘려준다.   [그림 6]과 같은 회전체를 로터라 한다.

그림 6. 로터의 원리

3) 3상 교류의 결선법

그림 7. 3상 결선

실용의 3상 교류 발전기에서는 [그림 4]와 같은 3쌍의 코일을 [그림 7]과 같이 접속하고 있다.   [그림 7 (a)]는 코일의 한 쪽 끝  A, B, C를 각각 회부 단자로 하고 또 다른 한 쪽 끝 A', B', C'를 한데 (중성점) 묶어 놓은 Y 결선 (Star connection)이고, [그림 7 (b)는 코일의 각 끝을 순차적으로 묶고 각각의 접속적을 외부 단자로 한 △ 결선 (Delta Connection)이다.   여기서, A, B, C 각 코일에 발생하는 전압을 상전압, 전류를 상전류라 하고, 외부 단자 간의 전압을 선간 전압, 외부 단자에 흐르는 전류를 선전류라 하며, Y 결선과 △ 결선에서는 각각 다음과 같은 관계가 있다.

① Y 결선의 경우  : 선간 전압 = √3·상전압

선전류 = 상전류

② △ 결선의 경우 : 선간전압 = 상전압

선전류 = √3·상전류

즉, Y 결선의 경우 선간 전압은 상전압의 √3배이고, △ 결선의 경우는 선전류는 상전류의 √3배이다.   같은 크기의 발전기에서 같은 수의 코일을 감았을 경우 Y 결선 쪽이 높은 전압을 발생함을 의미한다.   따라서, 자동차용 교류 발전기는 저속에서보다 높은 전압을 얻을 수 있고, 중성점의 전압을 이용할 수 있는 이점 때문에 Y형 결선 방식이 널리 쓰인다.   그러나, 일부 출력이 큰 교류는 발전기에서는 △결선이 사용되기도 한다.

2. 정류

교류를 직류로 변환시키는 것을 정류라 하며, 정류 방법에는 여러 가지 방식이 있으나, 자동차용 교류 발전기에서는 실리콘 다이오드를 이용하여 정류를 한다.

1) 단상 교류의 정류

그림 8. 단상 교류의 정류

[그림 8 (a)]와 같이 단상 교류 발전기와 부사의 사이에 다이오드를 직렬로 접속하면 다이오드에 정방향 전압이 가해질 때만 전류가 흐르고, 역방향의 경우에는 전류가 흐르지 않는다. 이와 같이 정방향의 반파만을 이용하는 방식을 단상 반파 정류라 한다.   [그림 8 (a)]의 파형에서 보는 바와 같이 부하에 흐른 전류는 맥동이 심하다.   [그림 8 (b)]는 다이오드 4개를 브리지 모양으로 접속한 회로인데, 이 경우에는 정방향, 역방향의 교류 전압을 모두 정류하기 때문에 효율이 높은 정류를 할 수 있다.   축전지용 충전기 등은 기본적으로 이 방식의 정류기를 사용하고 있으며, 이것을 단상 전파 정류라 한다.

2) 3상 교류의 정류

그림 9. 3상 반파 정류 회로

[그림 9 (a)]와 같이 Y 결선인 3상 교류 발전기의 출력 단자에 3개의 다이오드를 접속하고 중성점과의 사이에 부하를 접속하면 [그림 9 (b)]와 같은 정류 전류가 얻어진다.   이것을 3상 반파 정류라 한다.

그림 10. 3상 교류 정류 회로

[그림 10]은 6개의 다이오드를 브리지 모양으로 연결하여 3상 교류 발전기의 출력 단자에 접속한 것인데, 교류 발전기는 이 방식으로 3상 교류를 정류하고 있으며, 이것을 3상 전파 정류 회로라 한다.   이 방식으로 정류된 전류는 맥동이 대단히 적은 직류가 얻어진다.