同期発電機

同期発電機

同期発電機は、回転子の磁界が電機子巻線を横切る速度と同期した周波数で交流電力を発生させる発電機です。一般的には、回転子が界磁である回転界磁形が広く用いられています。

特徴

誘導発電機と比較して、同期発電機は以下のような特徴を持ちます。

突入電流の抑制: 系統投入時の突入電流が小さく、系統への影響を軽減できます。
力率調整: 力率を調整できるため、電力系統の安定化に貢献できます。
定速度運転: 周波数が一定であれば定速度で運転できるため、回転系の振動設計に有利です。

電機子反作用

電機子電流（負荷電流）が界磁の磁束に影響を与える現象を電機子反作用と呼びます。その影響は、電機子電圧と電機子電流の位相差（力率角）によって異なります。

交差磁化作用（横軸反作用）: 力率が1のとき、回転方向前側の磁束を弱め、後側の磁束を強める作用です。実際には磁気飽和のため、磁束を強める効果が小さくなり、全体として磁束が弱まります。
増磁作用（直軸反作用）: 力率が進み（容量性負荷）の場合、磁束を強める方向に作用します。負荷の力率が小さいと、自己励磁作用により電圧が著しく高くなることがあります。
減磁作用（直軸反作用）: 力率が遅れ（誘導性負荷）の場合、磁束を弱める方向に作用します。

同期リアクタンス

電機子電流による電機子電圧の変化は、電機子電流に比例します。この比例係数を同期インピーダンス(Zs)と呼びます。電機子巻線の抵抗(ra)と同期リアクタンス(Xs)に分解でき、大型の同期機では巻線抵抗を無視して同期リアクタンスと同期インピーダンスを同一視することがあります。

突極機では、直軸方向と横軸方向で磁気抵抗が異なるため、直軸リアクタンス(Xd)と横軸リアクタンス(Xq)を用いた二反作用理論が用いられます。

短絡比

定格[電圧]]からの短絡電流]が定格[電機子電流]の何倍であるかを示す比率を短絡比(Ks)と呼びます。短絡比は、無負荷時に定格[電圧となる界磁電流]と、短絡試験時に[電機子電流が定格値となる界磁[[電流]を用いて求められます。短絡比の逆数は、単位法で表した同期リアクタンスと一致します。

短絡比の値は、水車発電機で0.8〜1.2程度、タービン発電機で0.4〜0.7程度です。短絡比が大きいほど電圧変動が小さく安定していますが、機械の寸法・重量が大きくなり高価になります。

同期発電機の分類

永久磁石同期発電機: 回転子に永久磁石を使用します。ダイナモやオルタネーターに用いられます。
電磁石同期発電機: 回転子に電磁石を使用します。大容量発電所で三相交流を発生させるのに用いられます。
円筒機: 高速回転に適しており、タービン発電機に用いられます。
突極機: 極数の大きな機械が作れるため、水車発電機に用いられます。
回転界磁形: 一般的に用いられる形式で、界磁極を回転させ、電機子を固定します。
回転電機子形: 特殊な場合に用いられ、電機子を回転させ、界磁極を固定します。
発電電動機: 発電機と電動機の両方の定格を持ち、揚水発電に用いられます。
二重給電同期機: 固定子と回転子の両方に多相交流を流し、回転速度を変化させることができます。可変速揚水発電や風力発電に用いられます。
同期調相機: 無効電力を電力系統に供給・吸収するために用いられます。

仮想同期発電機

仮想同期発電機は、同期発電機の特性（慣性力、同期化力）をインバーターで実現する技術です。太陽光発電などの分散型電源に適用することで、電力系統の安定化に貢献します。

これにより大規模な分散型電源による安定した電力供給が可能になります。

関連項目

同期電動機
* 同期検定器

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