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発電機

技術士(電気電子) 火力発電 発送配変電

火力発電機

タービン形の発電機では、大容量で高速回転となるため、円筒形同期発電機が用いられる。

発電機の回転数は、回転子が2極の場合は60Hzで3600rpm、50Hzで3000rpmとなる。4曲の場合は60Hzで1800rpm、50Hzで1500rpmとなる。2極ということはN極、S極が1対ということなので、1回転でサイン波1周期分となる。

発電機の大容量化には、冷却方式の技術が大きく貢献している。小容量機では空気冷却方式が、大容量機では水冷却方式や水素冷却方式が用いられている。

空気冷却方式は構造が簡単だが、発電機の風損が大きくなる。

水素冷却方式では、水素の密度が空気よりも大幅に小さいため、風損を1/10程度に低減できる。また水素の比熱は空気の14倍もあるため冷却効果が大きい。発電機の絶縁劣化を抑える効果もあるが、欠点として空気と混合した場合に爆発の危険がある。

水冷却方式では、冷却効果は高くなるが、絶縁性の問題からただの水ではなく純水を使用する必要がある。そのため装置が複雑化してしまう欠点がある。

 

水車発電機

水車発電機には、一般的に突極形同期発電機が用いられるが、小容量の発電機には誘導発電機が用いられる場合もある。同期機の多くは電機子を固定し、界磁が回転する回転界磁形である。同期機は、固定側に設置される電機子巻線と、回転子側の界磁巻線と制動巻線から構成されている。制動巻線は、同期発電機の負荷が急変し乱調を起こした場合などに、逆相インピーダンスを増加させて制動トルクを発生させる。制動巻線の抵抗が小さいほど制動トルクが働くため安定度は向上するが、故障電流の抑制には高抵抗のほうが効果がある。

軸方向は、立軸型が一般的だが、小容量発電の場合は横軸形になるため、それに適した発電機仕様が求められる。

水力発電は、発電所の運用形式から、始動と停止の頻度が高くなる。一般的に火力発電機よりも水力発電機は遅い。

冷却は空気で行われる。冷却方式には、発電機室内の空気を吸い込んで放出する開放型と、風洞を設ける管通風型、発電機を閉じた空間において冷却空気を循環させる全閉内冷形がある。

 

回転数の計算式

発電機の標準回転速度は、6極で50Hzなら1000rpm、60Hzなら1200pmである。

出力周波数[Hz] × 60[s] × 極数 ÷ 2 = 回転数[rpm]

なので覚えておく。

極数を2で割っているのは、N極とS極、2極のペアが1波形を生み出すからである。