単相発電機

単相発電機（単相オルタネーターとも呼ばれる）は、単一の連続交流電圧を生成する交流発電機です。単相発電機は、単相電力システムで電力を生成するために使用できます。ただし、多相発電機は通常、三相配電システムで電力を供給するために使用され、電流は単相負荷の近くで単相に変換されます。したがって、単相発電機は、駆動される負荷が比較的軽く、^[1]三相配電に接続されていない場合に最もよく使用されるアプリケーション、たとえばポータブルエンジン発電機で使用されています。大型の単相発電機は、鉄道電化システムの単相牽引電力などの特殊なアプリケーションでも使用されます。^[2]

デザイン

回転アーマチュア

回転電機子発電機の設計では、電機子部分がローターに、磁場部分がステーターに設けられます。基本設計は基本発電機^[3]と呼ばれ、長方形のループ電機子を使用してN 極と S 極の間の力線を切断します。回転により力線を切断することで、電流が発生します。電流は、2 組のスリップリングとブラシを介して発電機ユニットから送り出され、そのうち 1 つは電機子の両端に使用されます。この 2 極設計では、電機子が 1 回転すると、単相交流 (AC) の 1 サイクルが生成されます。AC 出力を生成するには、 AC 出力の目的の周波数 (ヘルツ単位)に一致する 1 秒あたりの回転数で電機子を一定速度で回転させます。

AC出力とアーマチュア回転の関係

アーマチュアは0度です。
アーマチュアは90度です。
アーマチュアは180度です。
アーマチュアは270度。
360 度のアーマチュア。

この一連の写真では、アーマチュアの回転と AC 出力の関係が示されています。アーマチュアが直線の力線に対して円運動するため、運動速度が一定であっても、切断される力線の数は不定です。0 度では、アーマチュアの長方形のアームは力線をまったく切断せず、電圧出力はゼロになります。アーマチュアアームが 90° の位置に向かって一定速度で回転すると、切断される線の数が増えます。アーマチュアが 90° の位置にあるときに、力線は最大で切断され、一方向に最大電流が流れます。アーマチュアが 180° の位置に向かって回転すると、切断される力線の数は減り、180° の位置で再びゼロになるまで電圧も低下します。アーマチュアが 270° の位置で反対の極に向かうと、電圧が再び増加し始めます。この位置に向かって、電流が反対方向に生成され、反対側で最大電圧が流れます。1 回転すると、電圧は再び減少します。 1 回転で、正弦波で表される 1 つの完全なサイクルで AC 出力が生成されます。

単相発電機に極を追加して、1 回転で複数サイクルの AC 出力を生成できるようにすることもできます。左側の例では、固定子部分が再構成され、等間隔の 4 つの極があります。N 極は 2 つの S 極に隣接しています。回転子部分のアーマチュアの形状も変更されています。平らな長方形ではなくなりました。アームは 90 度曲げられています。これにより、2 極構成と同様に、アーマチュアの片側が N 極と相互作用し、もう片側が S 極と相互作用します。電流は、2 極構成と同じように、2 セットのスリップリングとブラシを介して出力されます。違いは、アーマチュアが 180 度回転すると 1 サイクルの AC 出力が完了することです。1 回転で、AC 出力は 2 サイクルになります。これにより、発電機の出力周波数が増加します。アプリケーションに応じて、発電機の同じ回転速度でより高い周波数を達成するために極を追加したり、発電機のより低い回転速度で同じ出力周波数を達成するために極を追加したりできます。

この設計では、アーマチュアの形状を変更することで出力電圧を上げることもできます。右の図に示すように、アーマチュアに長方形のループを追加できます。アーマチュアアームの追加ループは直列に接続されており、実際には同じ導線の追加巻線で長方形のコイルを形成しています。この例では、コイルには 4 つの巻線があります。すべての巻線の形状が同じであるため、すべての巻線で同時に同じ方向に同じ量の力線がカットされます。これにより、これらの 4 つの巻線に対して同相AC 出力が作成されます。その結果、図の正弦波に示すように、出力電圧が 4 倍に増加します。^[4]

回転フィールド

回転磁界発電機の設計では、アーマチュア部分をステータに、磁場部分をローターに配置します。回転磁界単相発電機の基本設計を右に示します。ローターには N と S の 2 つの磁極が取り付けられており、2 つのコイルは直列に接続され、ステータ上に等間隔に配置されています。2 つのコイルの巻線は、常に反対の極性で相互作用するため、電流が同じ方向に流れるように逆方向になっています。極とコイルは等間隔に配置され、極の位置はコイルの位置と一致するため、ローターのどの角度でも磁力線は同じ量で切断されます。その結果、すべての巻線に誘導される電圧は、いつでも同じ値になります。両方のコイルからの電圧は、互いに「同位相」です。したがって、合計出力電圧は、各巻線に誘導される電圧の 2 倍になります。図では、極番号1とコイル番号1が交わる位置で、発電機は一方向に最も高い出力電圧を生成します。ローターが180度回転すると、出力電圧が交互に切り替わり、反対方向に最も高い電圧が生成されます。^[3]この場合のAC出力の周波数は、ローターの1秒あたりの回転数に等しくなります。^[1]

この設計では、極を追加することで出力周波数を上げることもできます。右の例では、ステータに 4 つのコイルが直列に接続され、フィールドローターには 4 つの極があります。コイルと極は両方とも等間隔です。各極は、90 度に傾いた隣の極と極性が逆になっています。各コイルの巻き線も隣の極と反対になっています。この構成により、4 つの極の力線を 4 つのコイルで同時に同じ量だけ切断できます。90 度の回転ごとに、電圧出力の極性が一方から他方に切り替わります。したがって、1 回転で 4 サイクルの AC 出力が得られます。4 つのコイルは直列に接続され、出力は「同位相」であるため、この単相発電機の AC 出力は、各コイルによって生成される電圧の 4 倍になります。^[3]

回転磁界設計の利点は、極が永久磁石である場合、コイルが固定されており、発電機から外部負荷に直接配線できるため、発電機から電気を送るためにスリップリングやブラシを使用する必要がないことです。

小型発電機

一般的によく知られている単相発電機は小型のものが多く、主電源が遮断された場合の予備発電機や建設現場での臨時電源供給などに利用されています。 ^[5]

もう一つの用途は小型風力技術です。ほとんどの風力タービンは三相発電機を使用していますが、定格出力が55kWまでの小型風力タービンモデルの一部には単相発電機が使用されています。単相モデルは垂直軸風力タービン（VAWT）と水平軸風力タービン（HAWT）で利用できます。^[6]^[7]

発電所

発電のごく初期の頃、発電所の発電機は単相交流または直流でした。1895年に、より効率的な多相発電機がアダムス水力発電所で初めて大規模多相発電所として導入され、電力産業の方向性が変わりました。^[8]新しい発電所では多相システムを採用し始めました。1900年代には、多くの鉄道が路線の電化を開始しました。当時、単相交流システムは直流システムのほかに牽引電力網に広く使用されていました。これらの単相牽引ネットワーク用の初期の発電機は単相発電機でした。^[9]一部の現代の列車に導入された新しい三相モーターでも、牽引ネットワーク用の単相送電は時代を生き延び、今日でも多くの鉄道で使用されています。^[10]しかし、多くの牽引発電所では、時間の経過とともに発電機を三相発電機に交換し、送電用に単相に変換しました。^[11]

水力

水力発電の初期の発展において、単相発電機は交流の利点を実証する上で重要な役割を果たした。1891年、100馬力の3,000ボルト、133 Hzの単相発電機がエイムズ水力発電所に設置され、ペルトン水車とベルト接続された。電力は4.2キロメートル（2.6マイル）のケーブルで送電され、工場の同一のモーターに電力を供給した。この発電所は産業用途で交流電力を発電した最初の発電所であり、交流送電の効率を実証した。これは、1895年にニューヨーク州ナイアガラフォールズにあったエドワードディーンアダムス発電所などのはるかに大規模な発電所の前例となった。 ^[12]しかし、大規模な発電所は効率を高めるために多相発電機を使用して運用された。そのため、単相水力発電の用途は軽負荷などの特殊な場合に限られていた。

単相を特殊なケースで使用した例は、1902 年にセントルイス市営発電所で実施されました。20 kW の単相発電機がペルトン水車に直接接続され、軽い負荷に電力を供給するのに十分な電力を生成しました。これは、公共水道管内の水流からエネルギーを捕捉する導管内水力発電の初期のデモンストレーションでした。この場合、水道本管のエネルギーは重力によって生成されたのではなく、水は水ポンプ場のより大きな蒸気エンジンによってポンプされ、顧客に供給されました。より大きなエンジンで水をポンプし、水流からエネルギーの一部を取り出して水車を使用した小型発電機に電力を供給するという決定は、コストに基づいていました。当時、蒸気エンジンは 20 kW システムには効率的でなく、費用対効果も高くありませんでした。そのため、蒸気水ポンプを設置して、顧客への水圧を維持し、同時に小型発電機を駆動するのに十分なエネルギーを確保しました。^[13]

今日の単相水力発電の主な用途は、鉄道の牽引ネットワークに電力を供給することです。特にドイツの鉄道の多くの送電網は、今日でも使用されている単相発電と送電に依存しています。有名な発電所はバイエルン州のヴァルヒェンゼー水力発電所です。この発電所は、高架のヴァルヒェン湖から水を引き、発電機を駆動する8つのタービンを回転させます。そのうち4つは、電力網に電力を供給する三相発電機です。他の4つは、ドイツの 15kV AC鉄道電化に電力を供給するために合計52MWの容量を持つペルトン水車に接続された単相発電機です。^[14]

同様の単相水力発電は、米国の鉄道電化システムの別のバリエーションでも使用されています。ペンシルバニア州のセーフハーバーダムの発電所は、公共事業とアムトラック鉄道の両方に電力を供給しています。14基のタービンのうち2基は、アムトラックの25 Hz牽引電力システムに電力を供給するために2台の単相発電機に接続されています。2つのタービンはカプラン型で、5枚のブレードを備え、定格出力は42,500馬力です。^[15]

スチーム

初期の頃は、蒸気機関が発電機の原動機として使われていました。 1900年代のセントルイス市営発電所の設備は、蒸気機関を単相発電機と併用した例です。セントルイス発電所では、複合蒸気機関を使用して100kWの単相発電機を駆動し、定格電力1,150ボルトの電流を生成しました。^[13]

20世紀には、特定の鉄道向けに単相電力を配電する牽引網の発電所でも蒸気機関が使用されました。 1938年にニューヨーク市のウォーターサイド発電所に設置された蒸気タービンを備えた特別な単相発電機は、このような発電・配電システムの一例です。単相発電機は、別の発電所のタービン故障の懸念から、1970年代後半に廃止されました。発電機は、別の三相電源から既存の単相架線電力に減らすために、2つの変圧器に置き換えられました。最終的に、変圧器は2つのソリッドステートサイクロコンバータに置き換えられました。^[8]

核

通常、原子力発電所は、送電網に電力を供給するための非常に高い容量を持つベースロードステーションとして使用されます。ネッカーヴェストハイムのネッカーヴェストハイムI原子力発電所は、ドイツ鉄道に周波数16 2/3 Hzの特定の交流電圧を供給するために大容量の単相発電機を備えているという点でユニークな原子力発電所です。加圧水型原子炉は、定格187 MWと152 MWの2つのタービンと発電機に熱エネルギーを輸送します。^[16]

参照

参考文献

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