誘導発電機

誘導発電機（または非同期発電機）は、誘導電動機の原理を利用して電力を生成する交流（AC）発電機の一種です。誘導発電機は、回転子を同期速度よりも速く機械的に回転させることで動作します。通常のAC誘導電動機は、内部改造なしで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、高圧ガス流を低圧に減圧する用途などで有用です。

誘導発電機は、外部電源から無効励磁電流を引き込みます。誘導発電機は交流回転子を持つため、同期機のように残留磁化を利用して停電した配電系統をブラックスタートさせることはできません。力率改善コンデンサを外部に追加することで、変動する無効励磁電流の一定量を相殺することができます。始動後、誘導発電機はコンデンサバンクを使用して無効励磁電流を生成できますが、独立した電力系統の電圧と周波数は自己調整機能を持たないため、容易に不安定になります。

誘導発電機は、回転子が同期速度よりも速く回転すると電力を発生します。60 Hz の電源で駆動される 4 極モータ (固定子に 2 対の極) の場合 、同期速度は毎分 1800 回転 (rpm) ですが、 50 Hz の電源では 1500 RPM になります 。モータは常に同期速度よりもわずかに遅く回転します。同期速度と動作速度の差はスリップと呼ばれ、同期速度に対するパーセントで表されることがよくあります。たとえば、 同期速度が 1500 RPM のモータが 1450 RPM で動作している場合、 スリップは +3.3% になります。

モータとして動作する場合、ステータ磁束の回転速度は同期速度であり、これはロータの回転速度よりも速い。これにより、ステータ磁束は滑り周波数で周期的に回転し、ステータとロータ間の相互インダクタンスを介してロータ電流を誘起する。誘起された電流は、ステータとは逆の磁極を持つロータ磁束を生成する。このようにして、ロータはステータ磁束に引きずられ、ロータには滑り周波数で誘起された電流が流れる。モータは、誘起されたロータ電流によって発生するトルクが軸負荷に等しくなる速度で回転する。

発電機運転では、原動機（タービンまたはエンジン）が回転子を同期速度以上（負の滑り）で回転させます。固定子磁束が回転子に電流を誘導しますが、今度は回転子磁束が固定子コイルを横切るため、固定子コイルには磁化電流より270°遅れて、磁化電圧と同相の電流が誘導されます。モーターは電力系統に実効電力（同相電力）を供給します。

励起

誘導電動機は、回転子に電流を誘導するために、固定子巻線に外部から電流を供給する必要があります。インダクタの電流は時間に対する電圧の積分であるため、正弦波電圧波形の場合、電流は電圧に対して90°遅れます。そのため、誘導電動機は、電動機として電力を消費して機械動力を供給する場合でも、機械動力を消費して電力を系統に供給する場合でも、常に無効電力を消費します。

固定子の磁束（無効電力）を励磁するための励磁電流源は、回転子電流を誘導するために依然として必要です。これは、電力網から供給することも、発電が始まったら容量性リアクタンスから供給することもできます。誘導電動機の発電モードは、回転子を励磁する必要があるため複雑です。回転子は交流電流によって誘導されるため、停止時に消磁され、コールドスタートをブートストラップするための残留磁化がありません。発電を開始するには、外部の励磁電流源を接続する必要があります。電力周波数と電圧は自己調整されません。発電機は、電圧と位相がずれた電流を供給できるため、機能的な独立電力システムを構築するには、より多くの外部機器が必要になります。力率補償器として機能する同期電動機と並列接続された誘導電動機の動作も同様です。電力網と並列接続された発電機モードの特徴は、回転子速度が駆動モードよりも高いことです。この場合、有効エネルギーが電力網に供給されます。^{[ 1 ]}誘導電動機発電機のもう 1 つの欠点は、かなりの励磁電流I 0 = (20-35)% を消費することです。

誘導発電機において、エアギャップ磁束を発生させるために必要な無効電力は、独立系統の場合は発電機に接続されたコンデンサバンクによって供給され、系統連系系統の場合は系統から無効電力を引き込んでエアギャップ磁束を維持します。系統連系系統の場合、発電機の周波数と電圧は系統によって決まります。これは、発電機の周波数と電圧が系統全体の電力に比べて非常に小さいためです。独立系統の場合、周波数と電圧は発電機のパラメータ、励磁に使用される容量、負荷の値と種類によって決まる複雑な関数となります。

誘導発電機は、回転速度を変化させても有効な電力を生成できるため、風力タービンや一部の小水力発電設備でよく使用されます。誘導発電機は、他の発電機タイプに比べて機械的にも電気的にも構造がシンプルです。また、ブラシや整流子を必要としないため、より堅牢です。

コンデンサシステムに接続された誘導発電機は、独立して動作するのに十分な無効電力を生成できます。負荷電流が発電機の磁化無効電力と負荷電力の両方を供給する能力を超えると、発電機は直ちに発電を停止します。負荷を取り除き、外部の直流モータ、またはコアに残留磁気がある場合はそれを使用して誘導発電機を再起動する必要があります。^{[ 2 ]}

誘導発電機は、風力発電所において特に適しています。なぜなら、風力発電所では回転速度が常に変動するからです。誘導発電機は負荷に依存するため、同期発電機のように系統周波数の変動に即座に反応するわけではなく、系統周波数制御に単独で使用することはできません。

例として、10 馬力、1760 回転/分、440Vの 三相誘導電動機（非同期発電機方式における誘導電気機械とも呼ばれる）を非同期発電機として使用する場合を考えてみましょう。この電動機の全負荷電流は10A  、全負荷力率は0.8です。

コンデンサをデルタ接続した場合の、各相に必要な静電容量：

見かけ電力${\displaystyle S={\sqrt {3}}EI=1.73*440*10=7612VA}$

有効電力${\displaystyle P=S\cos(\theta )=7612*0.8=6090W}$

無効電力${\displaystyle Q={\sqrt {S^{2}-P^{2}}}=4567VAR}$

機械を非同期発電機として動作させるには、コンデンサバンクは各相あたり最低4567 / 3相 = 1523 VARの電力を供給する必要があります。 コンデンサはデルタ結線されているため、コンデンサ1個あたりの電圧は440Vです。

容量性電流 Ic = Q/E = 1523/440 = 3.46 A

相あたりの容量性リアクタンス Xc = E/Ic = 127 Ω

各相の最小静電容量：

C = 1 / (2* π *f*Xc) = 1 / (2 * 3.141 * 60 * 127) = 21 μF。

負荷が無効電力も吸収する場合は、それを補償するためにコンデンサバンクの容量を増やす必要がある。

原動機の回転速度は、60Hzの周波数を生成するために使用する必要があります 。

通常、機械がモーターとして動作しているときは、スリップは全負荷時の値とほぼ同じになるはずですが、発電機として動作しているときは負の値になります。

Ns = 1800 の場合、N = Ns + 40 rpm と選択できます。

必要な原動機回転速度 N = 1800 + 40 = 1840 rpm。

• 二重給電式電気機械
• 発電機
• 誘導電動機

• 電気機械、駆動装置、および電力システム、第4版、セオドア・ワイルディ著、プレンティス・ホール、ISBN 0-13-082460-7311～314ページ。

• 独立型および系統連系型非同期発電機の試験（ 2017年3月2日にWayback Machineにアーカイブ済み）