同期電動機を発電機として動作させたもの。これは一般的に使用されている交流発電機です。現代の電力業界では、水力発電、火力発電、原子力発電、ディーゼルエンジン発電などに広く利用されています。同期発電機は一般的に直流励磁を使用するため、独立運転時には励磁電流を調整することで発電機の電圧を容易に制御できます。電力系統に接続して運転する場合、電圧は系統によって決定され変更できないため、励磁電流を調整することで電動機の力率と無効電力を制御することになります。
同期発電機の固定子と回転子の構造は、同期電動機のものと同じです。一般的には三相構造を採用していますが、一部の小型同期発電機では電機子巻線が単相構造になっているものもあります。
動作特性
同期発電機の主な性能特性は、無負荷特性と負荷運転特性です。これらの特性は、発電機を選定する際にユーザーにとって重要な参考情報となります。
無負荷特性
発電機が負荷に接続されていないとき、電機子電流はゼロとなり、これを無負荷運転と呼びます。このとき、モータの固定子の三相巻線は、励磁電流Ifによってのみ無負荷起電力E0（三相対称）を発生させ、その大きさはIfの増加とともに増大します。ただし、モータの磁気回路コアの飽和現象により、両者は直接比例関係にはありません。無負荷起電力E0と励磁電流Ifの関係を示す曲線は、同期発電機の無負荷特性と呼ばれます。
電機子反作用
発電機が対称負荷に接続されると、電機子巻線内の三相電流によって別の回転磁界が発生します。これは電機子反作用磁界と呼ばれ、その回転速度は回転子の回転速度と全く同じであり、両者は同期して回転します。
同期発電機の電機子反作用磁界と回転子励磁磁界は、近似的に正弦波法則に従って分布していると考えることができる。両者の空間位相差は、無負荷起電力E0と電機子電流Iの時間位相差に依存する。電機子反作用磁界は負荷状態にも関係する。発電機の負荷が誘導性の場合、電機子反作用磁界は減磁効果を持ち、発電機の電圧を低下させる。負荷が容量性の場合、電機子反作用磁界は磁化効果を持ち、発電機の出力電圧を上昇させる。
負荷動作特性
主に外部特性と調整特性について言及します。外部特性とは、速度が定格値で、励磁電流と負荷力率が一定のときの発電機の端子電圧 U と負荷電流 I の関係です。調整特性とは、速度と端子電圧が定格値で、負荷力率が一定のときの励磁電流 If と負荷電流 I の関係であり、図 3 に示されています。図 2 には、抵抗負荷、容量負荷、誘導負荷の状況も示されています。電機子反作用磁界の影響が異なるため、3 つの曲線も異なります。外部特性では、無負荷から定格負荷までの電圧変化の度合いを電圧変化率 △U と呼び、これは一般的にパーセントで表されます。
同期発電機の電圧変化率は約20%〜40%です。産業用および家庭用負荷では、一般的に電圧がほぼ一定に保たれることが求められます。そのため、負荷電流が増加すると、励磁電流もそれに応じて調整する必要があります。負荷特性が異なる場合、調整特性には3つのタイプがあります。調整特性の傾向は外部特性とは逆方向に変化しますが、誘導性負荷および純抵抗性負荷では上昇傾向にあり、容量性負荷では一般的に減少傾向にあります。
構造と分類
同期発電機の構造は、その回転速度に応じて高速型と低速（中速）型に分類される。高速型は主に火力発電所や原子力発電所で使用され、低速型は主に低速の水力タービンやディーゼルエンジンと接続される。構造面では、高速同期発電機は主に隠れ極回転子を使用し、低速（中速）同期発電機は主に凸極回転子を使用する。
高速同期発電機
ほとんどの発電機は原動機と同軸で結合されているため、火力発電所では高速蒸気タービンを原動機として使用し、蒸気タービン発電機は通常、毎分 3000 回転に達する高速 2 極モーターを使用します (グリッド周波数が 60 Hz の場合、毎分 3600 回転)。原子力発電所では、主に毎分 1500 回転の 4 極モーターを使用します (グリッド周波数が 60 Hz の場合、毎分 1800 回転)。高速かつ高出力の要求を満たすために、高速同期発電機は次の構造的特徴を採用しています。まず、分路回転子を使用します。次に、専用の冷却システムを備えています。
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投稿日時：2026年1月22日