同期発電機の原理と誘導起電力

回転速度を2倍にすると周波数は

回転子は直流励磁で作った一定の N-S 磁極だ。この磁石が回ると固定子の各相が見る磁束が正弦的に変わり、三相起電力が誘導される。回転子が一回転する間に極対数だけ起電力が振動する。速度スライダーを上げて波形がどう速くなるかを見よう。速度を2倍にすると周波数はどうなるか。

誘導機と正反対の構造

誘導機は固定子が回転磁界を作り回転子がそれを追った。同期発電機は正反対だ。回転子が磁束を直接作る。回転子巻線(界磁)に直流を流して一定の N-S 磁極を立て、この磁石をタービンなどの原動機で回す。固定子(電機子)の三相巻線はこの回転磁束を鎖交されて起電力を誘導される。大形機は大きな電機子電流を回る部分でなく静止した固定子から取り出すため、磁束を作る小さな界磁を回す回転界磁形を使う。

周波数が回転速度に縛られる

回転子が一回転する間に、2極なら磁束が一度反転し起電力が一周期を描く。P極なら一回転で P/2 周期できる。だから周波数は f = PN/120 [Hz、N は rpm]。60 Hz を出すには2極は3600、4極は1800、6極は1200 rpm で回さねばならない。発電機の回転速度がそのまま系統周波数なので、周波数を一定に保つには調速機で原動機の速度を精密に保たねばならない。速度と周波数が解けないように縛られているので同期機と呼ぶ。

起電力の大きさと励磁

一相の誘導起電力は E = 4.44 f N Φ kw だ。f は周波数、N は一相の直列巻数、Φ は極あたり磁束、kw は巻線係数だ。巻線係数は、コイルを複数のスロットに分けて巻き(分布)、コイル幅を極間隔より狭く(短節)したため起電力が算術和より少し小さくなるのを補正する1未満の数だ。磁束 Φ は界磁に流す直流励磁電流で決まるので、励磁を大きくすると磁束が大きくなり起電力も大きくなる。速度が周波数を定めるなら、励磁は電圧の大きさを定める。

最初の画面に戻ると

速度を2倍にすると周波数も2倍になった。直流で励磁された回転子が一回転するたびに極対数だけ固定子の磁束が反転し起電力の周期ができるので、周波数は f = PN/120 で回転速度に一対一に縛られる。だから系統周波数を保つことは発電機の回転速度を保つことと同じだ。一方、起電力の大きさは E = 4.44 f N Φ kw で、速度が定めた周波数の上で界磁励磁電流が磁束 Φ を通じて電圧の大きさを別に定める。誘導機がすべりで速度を手放した所に、同期機は速度と周波数を一体に縛る。

ここまでは負荷のない無負荷発電機だった。電機子に負荷電流が流れると、その電流が作る磁束が界磁磁束と合わさり、誘導機で見た電機子反作用が同期機でも現れる。ただし同期機ではその効果が力率に応じて磁束を足したり引いたりし、これを一つの同期リアクタンスにまとめて扱う。次のユニットは電機子反作用と同期リアクタンスで負荷時の端子電圧がどう変わるかを見る(MC-D2)。