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同期機の学習帳

2022年2月22日

同期発電機

同期発電機の励磁方式

小型の同期発電機では界磁に永久磁石を使用することもあるが、中型から大型の同期発電機(以下、主発電機と呼ぶ)では界磁巻線に直流電流を通電して励磁する方法が適用される。
この直流電流(界磁電流)を供給する装置を励磁装置と呼び、近年では交流励磁機方式、又は静止形励磁方式が一般的である。また、この界磁電流の大きさを調整して主発電機の\(\fbox{無効電力}\)や端子電圧を調整することを励磁制御という。
交流励磁機方式は、励磁電源として同期発電機を使用しており、この発電機を交流励磁機と呼ぶ。交流励磁機方式では、主発電機の界磁電流の増減は、交流励磁機の界磁電流の調整によって行われる。交流励磁機にも励磁が必要であるが、その電源としてさらに小型の発電機をもう一台使用する場合は、この小型の発電機を\(\fbox{副励磁機}\)と呼ぶ。
交流励磁機方式の一つにブラシレス励磁方式がある。ブラシレス励磁方式の交流励磁機の構造は\(\fbox{回転電機子}\)形であり、その出力は交流励磁機の回転子と同軸上に設置された半導体電力変換器整流されて、主発電機の界磁巻線に供給される。このため、この方式では主発電機及び交流励磁機に界磁電流を給電するための\(\fbox{スリップリング}\)とブラシが不要である。
静止形励磁方式では、サイリスタ素子を使用した電力変換器を使用する方式が近年一般的であり、サイリスタ励磁方式とも呼ばれる。サイリスタ励磁方式では、その電源を励磁変圧器経由で主発電機の出力回路(主回路)から得る\(\fbox{自励方式}\)が多く採用されている。

過去問題:
電験2種過去問【2021年機械 問1】(同期電動機の励磁方式)

三相同期電動機

 三相同期電動機が負担を担って回転しているとき、回転子磁極の位置と、固定子の三相巻線によって生じる回転磁界の位置との間には、トルクに応じた角度δ[rad]が発生する。この角度δを\(\fbox{負荷角}\)という。
回転子が円筒形で2極の三相同期電動機の場合、トルクT[N・m]はδが\(\fbox{π/2}\)[rad]のときに最大値になる。さらにδが大きくなると、トルクは減少して電動機は停止する。同期電動機が停止しない最大トルクを
\(\fbox{脱出トルク}\)という。
また、同期電動機の負荷が急変すると、δが変化し、新たなδ’に落ち着こうとするが、回転子の慣性のために、δ’を中心として周期的に変動する。これを\(\fbox{乱調}\)といい、電源の電圧や周波数が変動した場合にも生じる。\(\fbox{乱調}\)を抑制するには、始動巻線も兼ねる\(\fbox{制動巻線}\)を設けたり、はずみ車を取り付けたりする。

同期インピーダンスと百分率同期インピーダンス

定格線間電圧Vn[V]、短絡電流Is[A]とすると、同期インピーダンスZs[Ω]は

\(\displaystyle Z_s=\frac{V_n}{\sqrt3 I_s}\) [Ω]

百分率同期インピーダンスzs[%]は次式で定義する。

\(\displaystyle z_s=\frac{I_n}{I_s}\times100\) [%]

三相同期電動機の始動電動機法

 無負荷で始動電動機(誘導電動機や直流電動機)を用いて同期速度付近まで加速する。次に、界磁を励磁して同期発電機として、三相電源との並列運転状態を実現する。そののち、始動用電動機の電源を遮断して同期電動機として運転する。

過去問題:
電験3種過去問【2021年機械 問5】(三相同期電動機の特性)
電験3種過去問【2021年機械 問6】(同期発電機の百分率同期インピーダンス)