誘導発電機

誘導発電機とは

誘導発電機は、交流電力を生成する電気機器の一つです。広く普及している交流電動機である誘導電動機を、特別な条件下で運転することにより発電機として機能させたものを指します。これは、電力系統に接続して利用されることが一般的であり、特に風力発電設備や一部の小規模水力発電設備などで用いられることがあります。

動作原理

誘導発電機が発電する仕組みは、誘導電動機としての基本的な原理と密接に関係しています。誘導電動機は、固定子に流れる交流によって発生する回転磁界と、この回転磁界が回転子に誘導する電流との相互作用によってトルクが生じ、回転子が回転します。発電機として動作させるためには、外部からの機械的な力によって、回転子の回転速度を、固定子が生み出す回転磁界の速度（同期速度）よりも速くする必要があります。この状態は、誘導機の運転状態を示す指標である「滑り（s）」が負の値（s < 0）であるとして表現されます。このように、回転子を同期速度以上に強制的に回転させることで、誘導機は電動機としてではなく、発電機として機能し、固定子巻線を通じて電力系統に電気エネルギーを供給するのです。

特徴

誘導発電機は、同期発電機などの他の種類の発電機と比較していくつかの顕著な特徴を持っています。

滑り負状態での運転

先述のように、誘導発電機の運用は、回転子速度が同期速度を超える、つまり滑りが負の領域で行われます。風車や水車といった原動機から機械的なエネルギーを受け取り、このエネルギーを電気エネルギーへと変換し、接続先の電力系統へ送り出します。発電を継続するためには、回転子の速度が常に同期速度を上回っている状態を維持する必要があります。

系統連系時の注意点

誘導発電機を電力系統に接続する際に、同期発電機に比べて比較的大きな突入電流が発生しやすいという特性があります。これは、系統電圧が投入された際に、発電機内に十分な残留磁束が存在しない状態から急激に磁束が変化することなどが主な原因と考えられます。この大きな突入電流は、発電機自体や保護装置に過大な負担をかけたり、電力系統の電圧を一時的に変動させたりする可能性があるため、リアクトルを挿入したり、段階的に電圧を印加するソフトスタート方式を採用したりするなど、適切な対策を施すことが重要となります。

励磁と単独運転

誘導発電機が安定して発電を行うためには、回転磁界を維持するために必要な励磁電流（無効電力）の供給が不可欠です。しかし、誘導発電機は基本的に自身で安定した電圧や周波数を確立し、必要な励磁電流を供給する能力を持っていません。通常、励磁に必要な無効電力は、接続されている電力系統から供給を受けます。この性質から、誘導発電機は電力系統から切り離された状態、いわゆる「単独運転」では、安定した電圧と周波数を維持することが非常に困難です。稀にコンデンサを接続して自己励磁により単独運転が可能な場合もありますが、その条件は限定的であり、一般的には電力系統に接続された状態で運転することが前提となります。同期発電機のように自立して安定した系統を構成することは、通常はできません。

種類

誘導発電機は、回転子の構造の違いによって主に以下の二種類に分けられます。これらの種類は、それぞれ対応する構造を持つ誘導電動機を発電機として利用したものです。

かご形三相誘導発電機

一般的なかご形三相誘導電動機を発電機として運転する方式です。回転子はリスのかご状の導体構造（かご形回転子）をしており、構造がシンプルで頑丈、メンテナンスが比較的容易という特徴を持ちます。多くの用途で広く利用されています。

巻線形三相誘導発電機

巻線形三相誘導電動機を発電機として運転する方式です。回転子に巻線が施されており、スリップリングを介して外部回路と接続できるようになっています（巻線形回転子）。回転子側の回路に外部抵抗などを接続することで、運転特性を調整することが可能です。

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