【電力系統】発電所（１）【同期発電機】

　こんにちは。電気でぶ猫のラルフ0です。

　今回から少しの間，電力系統を構成するいろいろな要素――発電所や変電所，さらにこれらを構成する機器などについて語っていこうと思います。

　まずは発電所から。

発電所の構成

　発電所は，ざくっというと，蒸気タービンやガスタービン，水車などの原動機，発電機，主変圧器，発電機を故障から守ったり回路の切り替えを行ったりする開閉器類（遮断器，断路器，接地開閉器等），発電機や原動機の制御装置および故障を検出して遮断器を動作させ機器を守る保護装置，各種補器，電気の通り道であるケーブルや母線などから構成されます。

発電機について

　火力発電所とか水力発電所というように，発電所は原動機の種類で分類されるので，これらの詳細はまた章を改めましょう。ここでは原動機は機械的回転力を生み出すものと考えてください。

　まずは発電機について。

　原動機と発電機の回転子は軸で結合されています。回転子は磁石です。風力発電のように永久磁石が用いられる発電機（永久磁石発電機）もありますが，多くは電磁石です。このような回転子では電磁石にするためのコイルがまかれています。そして，コイルに電流を供給するための仕組みがあり，これを励磁装置と呼んでいます。

　さて，回転子をぐるっと囲むように固定子があり，固定子にもコイルがまかれています。上で述べたように回転子は磁石ですから，回転子の回転によって，磁束が固定子のコイルを貫きます。この磁束がコイルを貫くことを磁束が鎖交するといいます。回転子の回転によってコイルを鎖交する磁束の量が変化します。すると固定子のコイルに電圧（起電力）が発生します。ファラデーの法則というやつですね。

　このコイルの端子に負荷がつながれば電流が流れだし，電力が供給されます。発電機は，主変圧器を経て系統に連系されるわけですが，系統も大きな負荷とみなすことができます。

　なお，発電機において，電力を取り出す方の部分を電機子と呼びます。ここまで述べたような発電機は固定電機子型といいます。対応して回転子から電気を取り出す回転電機子型の発電機も存在しますが，少数派です。

　固定子（電機子）には，三相分のコイルが，物理的に120°ずつ角度を持たせて配置されています。このように配置された三相のコイルに，例の三相交流電流が流れると，その電流がつくる磁束はω=2πf（f：周波数。50Hzか60Hz）の角速度で回転します。回転子の方はN極とS極のペアが一つだったり二つだったり，もっと多かったりしますが，ペアの数をPとすると，ωr=ω/Pの角速度で回転する必要があります。つまり，回転子の磁束がコイルの磁束と鎖交する回転速度と固定子側の回転する磁束のタイミングがあっている必要があります。これを発電機が同期しているといいます。また，このような発電機を同期発電機といいます。

　系統の周波数は一定に保たれています（※１）。そこで，ある発電所の発電機を考えると，発電機は，系統の周波数と回転子の磁石のペアの数できまる回転数（角速度）で回転する必要があります。そのためには，原動機が出力するパワーと発電機が系統に送り出すパワー（有効電力）が等しくなる必要があります。火力発電所や水力発電所では，ガバナと呼ばれる制御装置で原動機の出力を調整し，回転速度が一定になるように調整しています（※１）。

※１：系統の周波数を一定に保つ仕組みや原動機の出力制御は，実際はもう少し複雑なことをやっています。これについては別の記事で説明します。

　また，上で述べた励磁装置を制御して，回転子のコイルに流す電流をコントロールすることにより，電磁石の磁気の強さを調整，結果として発電機の端子電圧を制御する制御装置をAVR(Auto Voltage Regulator)といいます。