発電機

発電において、発電機^[1]は、運動に基づく力（位置エネルギーと運動エネルギー）または燃料に基づく力（化学エネルギー）を外部回路で使用するために電力に変換する装置です。機械的エネルギー源には、蒸気タービン、ガスタービン、水力タービン、内燃機関、風力タービン、さらには手回しクランクなどがあります。最初の電磁発電機であるファラデーディスクは、1831年に英国の科学者マイケル・ファラデーによって発明されました。発電機は、電力網のほぼすべての電力を供給しています。

電気と動きをベースにした設計に加えて、太陽光発電と燃料電池発電機は、それぞれ太陽エネルギーと水素ベースの燃料を使用して電気出力を生成します。

電気エネルギーから機械エネルギーへの逆変換は電動モーターによって行われ、モーターと発電機は非常によく似ています。多くのモーターは機械エネルギーから電気を生成することができます。

電磁発電機は、ダイナモとオルタネーターという 2 つの大きなカテゴリに分類されます。

• ダイナモは整流子を利用して直流パルス電流を生成します。
• オルタネーターは交流電流を発生させます。

機械的には、発電機は回転部分と固定部分で構成され、これらが一緒に磁気回路を形成します。

• ローター：電気機械の回転部分。
• ステータ: 電気機械のローターを囲む固定部分。

これらの部品の 1 つは磁場を生成し、もう 1 つには変化する磁場によって電流が誘導される巻線があります。

• 界磁巻線または界磁（永久）磁石：電気機械の磁場を生成する部品。発電機またはオルタネーターの磁場は、界磁コイルと呼ばれる巻線または永久磁石によって生成されます。電気励起発電機には、磁場磁束を生成する励起システムが含まれます。永久磁石（PM）を使用する発電機は、マグネトまたは永久磁石同期発電機（PMSG）と呼ばれることもあります。
• アーマチュア: 電気機械の電力を生成する部品。発電機、オルタネーター、ダイナモでは、アーマチュア巻線が電流を生成し、外部回路に電力を供給します。

設計に応じて、アーマチュアはローターまたはステーターのいずれかに配置でき、フィールドコイルまたは磁石は他の部分に配置できます。

磁気と電気の関係が発見される前に、静電発電機が発明されました。静電発電機は、高電位電極に電荷を運ぶ帯電ベルト、プレート、ディスクを移動させることで、静電気の原理に基づいて動作しました。電荷は、静電誘導または摩擦電気効果の2つのメカニズムのいずれかを使用して生成されました。このような発電機は、非常に高い電圧と低い電流を生成しました。効率が悪く、非常に高い電圧を生成する機械を絶縁するのが難しいため、静電発電機は定格電力が低く、商業的に重要な量の電力を生成するために使用されることはありませんでした。唯一の実用的な用途は、初期のX線管に電力を供給することと、後に一部の原子粒子加速器に電力を供給することでした。

電磁発電機の動作原理は、1831年から1832年にかけてマイケル・ファラデーによって発見されました。後にファラデーの法則と呼ばれるようになったこの原理は、変化する磁束を取り囲む導電体に起電力が発生するというものです。

ファラデーはまた、ファラデーディスクと呼ばれる最初の電磁発電機も作りました。これは、馬蹄形磁石の極の間で回転する銅のディスクを使用する同極発電機の一種で、小さな直流電圧を発生させます。

この設計は、磁場の影響を受けていないディスク領域で電流の逆流が自己相殺されるため、非効率的でした。電流は磁石の真下に誘導されますが、磁場の影響外の領域では電流が逆方向に循環します。この逆流により、ピックアップ ワイヤへの電力出力が制限され、銅ディスクの無駄な加熱が誘発されました。後のホモポーラ ジェネレータでは、ディスクの周囲に磁石の配列を配置して、電流の 1 つの方向に安定した磁場効果を維持することで、この問題を解決しました。

もう 1 つの欠点は、磁束を通る電流経路が 1 つしかないため、出力電圧が非常に低いことです。実験者は、コイルに複数の巻線を使用すると、より高く、より有用な電圧を生成できることを発見しました。出力電圧は巻線の数に比例するため、巻線の数を変えることで、任意の電圧を生成するように発電機を簡単に設計できます。巻線は、その後のすべての発電機設計の基本機能になりました。

ファラデーとは独立して、アニョス・イェドリクは1827年に電磁回転装置の実験を開始し、これを電磁セルフローターと呼んだ。単極電動スターターのプロトタイプ（1852年から1854年の間に完成）では、固定部と回転部の両方が電磁気的であった。これはまた、ダイナモ自己励磁の原理の発見でもあり、^{[2]永久磁石の設計に取って代わった。彼はまた、1861年に（}シーメンスとホイートストンより前に）ダイナモの概念を定式化した可能性があるが、これを最初に実現したわけではないと考え、特許を取得しなかった。^[3]

磁場内で回転する電線のコイルは、180° 回転するごとに方向が変わる電流、つまり交流(AC) を生成します。しかし、初期の電気の用途の多くでは直流(DC) が必要でした。ダイナモと呼ばれる最初の実用的な発電機では、整流子(アーマチュア シャフト上の回転スイッチ接点のセット)を使用して AC が DC に変換されました。整流子は、シャフトが 180° 回転するごとにアーマチュア巻線と回路の接続を反転し、パルス状の DC 電流を生成します。最初のダイナモの 1 つは、1832 年に Hippolyte Pixiiによって構築されました。

ダイナモは産業に電力を供給できる最初の発電機でした。現在バーミンガム科学博物館のシンクタンクにある1844年のウールリッチ発電機は、産業プロセスで使用された最初の発電機です。^[4]これはエルキントン社によって商業用電気メッキに使用されました。^{[5] [6] [7]}

工業用途に適した現代のダイナモは、チャールズ・ホイートストン卿、ヴェルナー・フォン・シーメンス、サミュエル・アルフレッド・ヴァーリーによって独立して発明されました。ヴァーリーは1866年12月24日に特許を取得し、シーメンスとホイートストンは1867年1月17日に両者とも発見を発表し、後者は発見に関する論文を王立協会に提出しました。

「発電機電気機械」は、ステータ磁場を生成するために永久磁石ではなく自己発電型電磁場コイルを採用した。^[8]ホイートストンの設計はシーメンスの設計に似ていたが、シーメンスの設計ではステータ電磁石がローターと直列であるのに対し、ホイートストンの設計では並列であるという違いがあった。^[9]永久磁石ではなく電磁石を使用することで、発電機の出力が大幅に増加し、初めて高出力発電が可能になった。この発明は、電気の最初の主要な産業用途に直接つながった。たとえば、1870年代にシーメンスは、金属やその他の材料を生産するための電気アーク炉に電力を供給するために電磁発電機を使用した。

開発されたダイナモ機械は、磁場を提供する固定構造と、その磁場内で回転する一連の回転巻線で構成されていました。大型の機械では、一定の磁場は 1 つ以上の電磁石によって提供され、通常はフィールド コイルと呼ばれます。

今では配電に交流がほぼ普遍的に使用されているため、大型の発電用ダイナモはほとんど見かけなくなりました。AC が採用される前は、非常に大型の直流ダイナモが唯一の発電および配電手段でした。AC は、長距離でも損失を少なくするために非常に高い電圧に 簡単に変換できるため、主流になりました。

一連の発見により、ダイナモはその後の多くの発明、特に交流電流を生成できる交流発電機に引き継がれました。これは一般に同期発電機（SG）として知られています。同期機は電力網に直接接続されており、起動時に適切に同期する必要があります。^[10]さらに、電力システムの安定性を高めるために、特別な制御で励磁されます。^[11]

交流発電システムは、マイケル・ファラデーが電流の磁気誘導を発見して以来、単純な形で知られていました。ファラデー自身も初期の交流発電機を製作しました。彼の機械は「回転する長方形」で、その動作は異極性でした。つまり、各活性導体は、磁場が反対方向にある領域を連続的に通過しました。^[12]

大型の二相交流発電機は、1882年にイギリスの電気技師JEHゴードンによって製造されました。「オルタネーターシステム」の最初の公開デモンストレーションは、 1886年にウェスティングハウスエレクトリックの従業員ウィリアムスタンリージュニアによって行われました。 ^[13]

セバスチャン・ジアーニ・デ・フェランティは、 1882年にフェランティ・トンプソン・アンド・インス社を設立し、著名な物理学者ケルビン卿の協力を得て発明したフェランティ・トンプソン・オルタネーターを販売した。^[14]彼の初期のオルタネーターは、100～300Hzの周波数を生成した。フェランティは1887年にロンドン電力供給会社のために交流システムを使用したデプトフォード発電所を設計した。1891年に完成したこの発電所は、最初の真に近代的な発電所となり、高電圧の交流電力を供給し、その後各通りの消費者向けに「降圧」した。この基本的なシステムは、今日でも世界中で使用されている。

1891年以降、複数の異なる位相の電流を供給するために多相交流発電機が導入されました。 ^[15]その後の交流発電機は、アーク照明、白熱灯、電気モーターで使用するために、16ヘルツから約100ヘルツまでの交流周波数を可変するように設計されました。^[16]

より大規模な発電に対する要求が高まるにつれ、永久磁石から得られる磁場という新たな制限が生じました。発電機によって生成された電力の少量を電磁場コイルに転用することで、発電機は大幅に多くの電力を生成できるようになりました。この概念は自己励起と呼ばれています。

界磁コイルは、アーマチュア巻線と直列または並列に接続されます。発電機が最初に回転し始めると、鉄心に存在する少量の残留磁気が磁場を生成して始動し、アーマチュアに小さな電流を生成します。これが界磁コイルを流れ、より大きな磁場が生成され、より大きなアーマチュア電流が生成されます。この「ブートストラップ」プロセスは、鉄心内の磁場が飽和により一定になり、発電機が定常電力出力に達するまで続きます。

非常に大規模な発電所の発電機では、大型発電機の磁場コイルを励磁するために、別の小型発電機が使用されることがよくあります。発電所が孤立する深刻な広範囲の停電が発生した場合、発電所は、顧客への電力供給を回復するために、ブラックスタートを実行して、最大の発電機の磁場を励磁する必要があるかもしれません。

ダイナモは整流子を使用して直流電流を生成します。これは自己励磁型で、つまり、その界磁電磁石は機械自体の出力によって駆動されます。他のタイプの DC 発電機は、界磁電磁石に電力を供給するために別の直流電源を使用します。

同極発電機は、均一な静磁場に対して垂直な平面で回転する導電性のディスクまたはシリンダーで構成されるDC 電気発電機です。ディスクの中心とリム (またはシリンダーの端) の間に電位差が生じ、電気の極性は回転方向と磁場の方向によって異なります。

単極発電機、非周期発電機、ディスクダイナモ、ファラデーディスクとも呼ばれる。電圧は通常低く、小型のデモモデルの場合は数ボルト程度だが、大型の研究用発電機は数百ボルトを発生でき、システムによっては複数の発電機を直列に接続してさらに大きな電圧を発生させることもある。^[17]単極発電機は内部抵抗を非常に低くできるため、100万アンペアを超えるものもある膨大な電流を発生できるのが特徴である。

磁気流体発電機は、回転する電磁機械を使わずに、磁場を通過する高温ガスから直接電力を取り出します。MHD発電機は、もともとプラズマMHD発電機の出力が炎であり、蒸気 発電所のボイラーを十分に加熱できることから開発されました。最初の実用的な設計は、1965年に開発されたAVCO Mk. 25でした。米国政府は大幅な開発資金を提供し、1987年には25MWの実証プラントが完成しました。ソビエト連邦では1972年から1980年代後半まで、MHDプラントU 25がモスクワ電力システムで定期的に稼働しており、定格出力は25MWで、当時世界最大のMHDプラント定格でした。^[18]トッピングサイクルとして運転されるMHD発電機は、現在（2007年）はコンバインドサイクル ガスタービンよりも効率が低くなっています。

誘導 AC モーターは発電機として使用し、機械エネルギーを電流に変換します。誘導発電機は、ローターを同時速度よりも速く機械的に回転させ、負の滑りを発生させることで動作します。通常の AC 非同時モーターは、通常、部品を変更することなく発電機として使用できます。誘導発電機は、比較的簡単な制御でエネルギーを回収できるため、小型水力発電所、風力タービン、または高圧ガス流を低圧に下げるなどの用途に役立ちます。回転磁界は既存の回路からの誘導によって提供されるため、動作を開始するために別の回路は必要ありません。また、接続されたグリッド周波数で本質的に動作するため、調速機も必要ありません。

誘導発電機には先行電圧を供給する必要があります。これは通常、電力網に接続するか、位相補正コンデンサを使用して発電機自体に電力を供給することによって行われます。

最も単純な形のリニア発電機では、スライドする磁石がソレノイド、銅線、またはコイルの中を前後に移動します。磁石がスライドするたびに、ファラデーの電磁誘導の法則により、ワイヤまたはワイヤのループに交流電流が誘導されます。このタイプの発電機は、ファラデー懐中電灯で使用されます。より大きなリニア発電機は、波力発電方式で使用されます。

グリッド接続型発電機は、一定の周波数で電力を供給します。同期型または誘導型の発電機の場合、必要な商用周波数で電力を供給するには、発電機シャフトを回転させる原動機の速度が特定の速度 (または狭い範囲の速度) である必要があります。機械式速度調整装置は、必要な固定周波数を維持するために、入力エネルギーのかなりの部分を無駄にする可能性があります。

原動機の速度を厳密に制御することが非現実的または望ましくない場合は、二重給電式電気機械を発電機として使用できます。電力電子機器の助けを借りて、これらは、発電機の軸速度のより広い範囲にわたって出力周波数を所望の値に制御できます。あるいは、周波数を制御せずに標準の発電機を使用し、整流器とコンバーターの組み合わせを使用して、結果として生じる電力を所望の出力周波数に変換することもできます。原動機の速度の範囲を広げると、より複雑な発電機と制御を犠牲にして、設備の全体的なエネルギー生産を改善できます。たとえば、固定周波数で動作する風力タービンでは、高風速時にエネルギーを放出する必要がある場合、可変速システムを使用すると、高風速期間中に保持されたエネルギーを回収できます。

発電所は、発電所または発電所、時には発電所または発電プラントとも呼ばれ、電気を生成する 産業施設です。ほとんどの発電所には、1 台以上の発電機、つまり機械力を三相電力に変換する回転機械があります。磁場と導体の相対運動により電流が発生します。発電機を回転させるために利用されるエネルギー源は多岐にわたります。世界のほとんどの発電所は、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料を燃焼させて電気を生み出しています。よりクリーンなエネルギー源には原子力があり、太陽、風、波、流水などの再生可能エネルギーの利用も増えています。

自動車は、計器類に電力を供給し、エンジン自体を動かし、バッテリーを充電するために電気エネルギーを必要とします。1960 年代頃まで、自動車は電気機械式レギュレータを備えたDC 発電機 (ダイナモ) を使用する傾向がありました。上記の歴史的傾向に従い、また同様の理由から、現在では整流回路 を内蔵したオルタネーターに置き換えられています。

自転車は、走行灯やその他の機器を動かすためにエネルギーを必要とします。自転車で一般的に使用されている発電機には、必要に応じて自転車のタイヤを駆動するボトルダイナモと、自転車のドライブトレインに直接取り付けられるハブダイナモの 2 種類があります。これらは小型の永久磁石オルタネーターであり、ダイナモのような自己励起型 DC マシンではないため、この名前が付けられています。一部の電動自転車は回生ブレーキに対応しており、駆動モーターを発電機として使用して、ブレーキ時にエネルギーの一部を回収します。

帆船は、水力または風力発電機を使用してバッテリーをトリクル充電する場合があります。小型のプロペラ、風力タービン、またはタービンが低電力発電機に接続され、通常の風速または巡航速度で電流を供給します。

RV車には、エアコンや冷蔵庫などの車載アクセサリに電力を供給するための追加の電源が必要です。RV電源プラグを発電機に接続して、安定した電力供給を得ます。^[19]

回生ブレーキを備えた電動スクーターは世界中で人気を博しています。エンジニアはスクーターに運動エネルギー回収システムを採用し、磁気ブレーキを使用してエネルギーを回収するだけでエネルギー消費を削減し、電気エネルギーを生成してさらに使用することで、走行距離を最大 40 ～ 60% 延長します。現代の車両は最高時速 25 ～ 30 km に達し、最大 35 ～ 40 km 走行できます。

エンジン発電機は、発電機とエンジン（原動機）を一体化して1つの独立した装置にしたものです。使用されるエンジンは通常ピストンエンジンですが、ガスタービンも使用できます。また、デュアル燃料ユニットと呼ばれるディーゼルガスハイブリッドユニットもあります。エンジン発電機には、非常に小型のポータブルガソリン駆動セットから大型タービン設備まで、さまざまなバージョンがあります。エンジン発電機の主な利点は、独立して電力を供給できるため、ユニットをバックアップ電源として使用できることです。^[20]

発電機は人間の筋力で駆動することもできます（たとえば、野外無線局の設備など）。

人力発電機は市販されており、DIY愛好家のプロジェクトにもなっています。通常、ペダルの力、改造した自転車トレーナー、または足踏みポンプによって作動するこのような発電機は、バッテリーの充電に実際に使用でき、インバーターが組み込まれた設計になっている場合もあります。平均的な「健康な人間」は、8 時間にわたって 75 ワット (0.1 馬力) の安定した電力を生成できますが、「一流のアスリート」は、同様の時間にわたって約 298 ワット (0.4 馬力) を生成できます。その時間が終了したら、不確定な休息と回復期間が必要になります。298 ワットでは、平均的な「健康な人間」は 10 分以内に疲れ果ててしまいます。^[22]発電機の効率により、生成できる正味の電力は少なくなります。クランク付きのポータブルラジオ受信機は、バッテリーの購入要件を減らすために作られています。時計仕掛けのラジオを参照してください。 20 世紀半ば、ペダルで動くラジオはオーストラリアの奥地全体で使用され、遠隔地の駅や町で教育 ( School of the Air )、医療、その他のニーズに応えていました。

タコジェネレータは、シャフト速度に比例した出力電圧を生成する電気機械装置です。速度計やフィードバック速度制御システムで使用できます。タコジェネレータは、電気モーター、エンジン、およびそれらが電力を供給する機器の速度を測定するためにタコメーターに電力を供給するためによく使用されます。ジェネレータは、シャフト速度にほぼ比例した電圧を生成します。精密な構造と設計により、ジェネレータはシャフト速度の特定の範囲に対して非常に正確な電圧を生成するように構築できます。^{[引用が必要]}

発電機と負荷の等価回路を隣の図に示します。発電機は、理想的な電圧源と内部インピーダンスで構成される抽象的な発電機で表されます。発電機のと のパラメータは、巻線抵抗 (動作温度に補正) を測定し、定義された電流負荷の開回路電圧と負荷電圧を測定することで決定できます。 ${\displaystyle V_{\text{G}}}$${\displaystyle R_{\text{G}}}$

これは発電機の最も単純なモデルであり、正確な表現のためにはさらなる要素を追加する必要があるかもしれない。特に、機械の巻線と磁気漏れ磁束を考慮してインダクタンスを追加することができるが^[23]、完全な表現はこれよりもはるかに複雑になる可能性がある。^[24]

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