永久磁石同期発電機

永久磁石同期発電機は、コイルの代わりに永久磁石によって励起磁場が提供される発電機です。ここでの同期という用語は、磁場がシャフトに取り付けられた永久磁石機構によって生成され、電流が固定アーマチュアに誘導されるため、 ローターと磁場が同じ速度で回転することを意味します。

同期発電機は、商業用電気エネルギーの大半の供給源です。蒸気タービン、ガスタービン、往復エンジン、水力タービンの機械的出力を電力網の電力に変換するためによく使用されます。風力タービンの設計によっては、このタイプの発電機も使用されます。

ほとんどの設計では、発電機の中心にある回転アセンブリ (ローター)に磁石が含まれ、固定子は負荷に電気的に接続された固定アーマチュアです。図に示すように、固定子磁場の垂直成分はトルクに影響し、平行成分は電圧に影響します。発電機によって供給される負荷によって電圧が決まります。負荷が誘導性の場合、回転子磁場と固定子磁場の間の角度は 90° より大きくなり、発電機電圧が増加します。これは過励磁発電機と呼ばれます。容量性負荷を供給する発電機の場合は逆のことが当てはまり、これは不足励磁発電機と呼ばれます。

標準的なユーティリティ機器では、3 本の導体のセットが電機子巻線を構成し、電力回路の 3 つの相を構成します。相はステータ上で空間的に 120° 離れるように巻かれ、ローターに均一な力またはトルクを与えます。トルクの均一性は、電機子巻線の 3 つの導体の誘導電流から生じる磁場が、単一の回転磁石の磁場に似た方法で空間的に結合することによって生じます。このステータ磁場は、ローターに単一の双極子磁場が含まれている場合、安定した回転磁場として表示され、ローターと同じ周波数で回転します。2 つの磁場は同期して移動し、回転しながら互いに対して固定された位置を維持します。^[1]

同期発電機は、固定子（電機子導体）に誘導される電圧の周波数が回転子の回転速度（または角速度）に正比例するため、同期発電機と呼ばれます。回転子の巻線が 2 つ以上の磁極の効果を生み出すように配置されている場合、回転子が物理的に 1 回転するごとに、より多くの磁極が電機子巻線を通過します。N 極と S 極が通過するたびに、磁場振動の完全な「サイクル」が実現されます。したがって、比例定数は です。ここで、P は磁気回転子の磁極の数（ほとんどの場合、偶数）であり、120 という係数は、1 分あたり 60 秒であることと、1 つの磁石に 2 つの磁極があることから来ています。^[2]${\displaystyle {\frac {\text{P}}{120}}}$

${\displaystyle f\left({\text{Hz}}\right)=RPM{\frac {\text{P}}{120}}.}$

原動機の動力は RPM とトルクの関数です。ここで はワット単位の機械動力、は単位 のトルク、RPM は 1 分あたりの回転数で、これに を掛けて単位 を得ます。原動機のトルクを増大させることで、より大きな電力出力を生成できます。 ${\displaystyle P_{m}=T_{m}\cdot RPM}$${\displaystyle P_{m}}$${\displaystyle T_{m}}$${\displaystyle {\frac {N\cdot m}{rad}}}$${\displaystyle {\frac {2\pi }{60}}}$${\displaystyle {\frac {ラジアン}{秒}}}$

実際には、典型的な負荷は誘導性です。上の図は、このような配置を示しています。は発電機の電圧、およびはそれぞれ負荷の電圧と電流、およびはそれらの間の角度です。ここで、抵抗Rとリアクタンス が角度 を決定する役割を果たしていることがわかります。この情報を使用して、発電機からの有効電力と無効電力の出力を決定できます。 ${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle V_{a}}$${\displaystyle I_{a}}$${\displaystyle \theta}$${\displaystyle X_{d}}$${\displaystyle \delta}$

この図では、端子電圧です。上図のように抵抗を無視すると、電力は次のように計算できます。^[3]${\displaystyle V_{t}}$

$${\displaystyle I_{a}={\frac {|E_{i}|\angle \delta -|V_{t}|}{jX_{d}}}}$$$${\displaystyle S=P+jQ=V_{t}I^{\star }={\frac {|V_{t}||E_{i}|\angle (-\delta )-|V_{t}|^{2}}{-jX_{d}}}={\frac {|V_{t}||E_{i}|(cos(\delta )-jsin(\delta ))-|V_{t}|^{2}}{-jX_{d}}}}$$

皮相電力を実電力と無効電力に分解すると、次のようになります。

$${\displaystyle P={\frac {|V_{t}||E_{i}|}{X_{d}}}sin(\delta ),}$$ $${\displaystyle Q={\frac {|V_{t}|}{X_{d}}}(|E_{i}|cos(\delta )-|V_{t}|)}$$

永久磁石発電機 (PMG) またはオルタネータ (PMA) は、励起回路用の DC 電源を必要とせず、スリップ リングや接触ブラシもありません。PMA または PMG の主な欠点は、エアギャップ フラックスを制御できないため、マシンの電圧を簡単に調整できないことです。永続的な磁場は、組み立て、現場サービス、修理中に安全上の問題を引き起こします。高性能永久磁石自体に、構造上および熱上の問題があります。トルク電流 MMF は、永久磁石の永続的な磁束とベクトル的に結合し、エアギャップ フラックス密度が高くなり、最終的にはコア飽和につながります。永久磁石オルタネータでは、出力電圧は速度に正比例します。

速度測定に使用される小型パイロット発電機の場合、電圧調整は不要です。永久磁石発電機を使用して、同じシャフト上の大型機械のローターに励磁電流を供給する場合、主機械の励磁電流制御と電圧調整には外部制御が必要です。これは、回転システムを外部制御回路に接続するスリップ リングを使用するか、回転システムに取り付けられ外部から制御される電力電子デバイスを介して制御できます。

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