発電機

発電機は、他の形態のエネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。1832年、フランス人のビクシが発電機を発明しました。

発電機は回転子と固定子で構成されています。回転子は固定子の中心空洞に配置され、回転子には磁極が設けられ、磁場を発生させます。原動機によって回転子が回転すると、機械エネルギーが伝達されます。回転子の磁極は回転子と共に高速回転し、磁場が固定子巻線と相互作用します。この相互作用により、磁場が固定子巻線の導体を横切り、誘導起電力を発生させ、機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。発電機は直流発電機と交流発電機に分けられ、工業生産、農業生産、国防、科学技術、そして日常生活のあらゆる場面で広く利用されています。

構造パラメータ

発電機は通常、固定子、回転子、エンドキャップ、ベアリングで構成されます。

ステータは、ステータコア、巻線、フレーム、およびこれらの部品を固定するその他の構造部品で構成されています。

ローターは、ローターコア（または磁極、磁気チョーク）巻線、ガードリング、センターリング、スリップリング、ファン、ローターシャフトなどのコンポーネントで構成されます。

発電機の固定子と回転子はベアリングとエンドキャップによって接続・組み立てられており、回転子が固定子内で回転して磁力線を切断する動きをすることで誘導電位が発生し、その誘導電位が端子を通して外部に引き出されて回路に接続され、電流が生成されます。

機能的特徴

同期発電機の性能は、主に無負荷特性と負荷運転特性によって特徴付けられます。これらの特性は、ユーザーが発電機を選択する上で重要な基準となります。

無負荷特性:発電機が無負荷で運転しているとき、電機子電流はゼロとなり、開回路運転と呼ばれる状態になります。このとき、モータ固定子の三相巻線には、励磁電流Ifによって誘起される無負荷起電力E0（三相対称）のみが発生し、その大きさはIfの増加とともに増加します。しかし、モータの磁気回路コアが飽和しているため、両者は比例しません。無負荷起電力E0と励磁電流Ifの関係を示す曲線を、同期発電機の無負荷特性と呼びます。

アーマチュア反応:発電機を対称負荷に接続すると、電機子巻線に流れる三相電流によって、電機子反作用磁界と呼ばれる別の回転磁界が発生します。この磁界の速度は回転子の速度と等しく、両者は同期して回転します。

同期発電機の電機子反作用磁界と回転子励磁磁界は、どちらも正弦波の法則に従って分布すると近似できます。これらの空間位相差は、無負荷起電力E0と電機子電流Iの時間位相差に依存します。さらに、電機子反作用磁界は負荷条件にも関連しています。発電機負荷が誘導性の場合、電機子反作用磁界は消磁効果を持ち、発電機電圧を低下させます。逆に、負荷が容量性の場合、電機子反作用磁界は磁化効果を持ち、発電機の出力電圧を上昇させます。

負荷操作特性:主に外部特性と調整特性を指します。外部特性は、定格回転速度、励磁電流、負荷力率が一定である場合の発電機端子電圧Uと負荷電流Iの関係を表します。調整特性は、定格回転速度、端子電圧、負荷力率が一定である場合の励磁電流Ifと負荷電流Iの関係を表します。

同期発電機の電圧変動率は約20～40%です。一般的な産業用および家庭用負荷では、比較的安定した電圧が求められます。そのため、負荷電流の増加に応じて励磁電流を調整する必要があります。レギュレーション特性の変化傾向は外部特性とは逆ですが、誘導性負荷および純抵抗性負荷では増加し、容量性負荷では一般的に減少します。

動作原理

ディーゼル発電機

ディーゼルエンジンは発電機を駆動し、軽油のエネルギーを電気エネルギーに変換します。ディーゼルエンジンのシリンダー内では、エアフィルターで濾過された清浄な空気が、燃料インジェクターから噴射された高圧の霧状軽油と十分に混合されます。ピストンが上昇し、混合気が圧縮されると、体積が減少し、温度が急上昇して軽油の発火点に達します。これにより軽油が点火し、混合気が激しく燃焼します。ガスの急速な膨張によりピストンは下方に押し下げられ、このプロセスは「仕事」と呼ばれます。

ガソリン発電機

ガソリンエンジンは発電機を駆動し、ガソリンの化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。ガソリンエンジンのシリンダー内では、燃料と空気の混合気が急速に燃焼し、その結果、容積が急激に膨張してピストンを押し下げ、仕事を行います。

ディーゼル発電機とガソリン発電機の両方において、各シリンダーは特定の順序で順次作動します。ピストンに作用する力はコネクティングロッドによって回転力に変換され、クランクシャフトを駆動します。エンジンのクランクシャフトと同軸に設置されたブラシレス同期交流発電機は、エンジンの回転によって発電機のローターを駆動します。そして、電磁誘導の原理に基づき、発電機は誘導起電力を発生させ、閉負荷回路に電流を流します。