オルタネーター
オルタネーター（または同期発電機）は、機械エネルギーを交流の形で電気エネルギーに変換する発電機です。[2]コストと簡便さの理由から、ほとんどのオルタネーターは回転磁界と固定電機子を使用します。[3]場合によっては、リニアオルタネーター、つまり固定磁界を持つ回転電機子が使用されることもあります。原則として、あらゆる交流発電機はオルタネーターと呼ぶことができますが、通常は自動車などの内燃機関によって駆動される小型の回転機械を指します。
永久磁石を磁場として利用する交流発電機はマグネトと呼ばれます。蒸気タービンで駆動される発電所の交流発電機はターボ発電機と呼ばれます。発電所の大型50Hzまたは60Hz三相交流発電機は、世界の電力の大部分を発電し、電力網によって配電されています。[4]
歴史
交流発電システムは、1830年代に電流の磁気誘導が発見されて以来、単純な形で知られるようになりました。回転発電機は自然に交流電流を生成しますが、あまり利用されなかったため、通常は発電機に整流子を追加して直流電流に変換されていました。 [8]初期の発電機は、マイケル・ファラデーやイポリット・ピクシーなどの先駆者によって開発されました。ファラデーは「回転長方形」を発明しました。これは異極性で動作し、各活性導体が磁場の方向が逆の領域を順番に通過します。[9]ケルビン卿とセバスチャン・フェランティも初期の交流発電機を開発し、100Hzから300Hzの周波数を生成しました。
1870年代後半には、街路全体、工場構内、あるいは大型倉庫の内部を照らすアーク灯に電力を供給するための中央発電所を備えた、最初の大規模電気システムが導入されました。1878年に導入されたヤブロチコフ・アーク灯のように、交流の方が動作が良好なものもあり、こうした初期の交流発電システムの開発に伴い、「オルタネーター（交流発電機）」という言葉が初めて使用されました。[10] [8]これらの初期のシステムでは、発電所から適切な電圧を供給することは、技術者の「負荷への対応力」に委ねられていました。[11] 1883年、ガンツ工場は定電圧発電機[12]を発明しました。これは、実際の負荷値に関係なく、規定の出力電圧を生成することができました。[13] 1880年代半ばに変圧器が導入されたことで、交流が広く使用されるようになり、それを生成するのに必要なオルタネーターも使用されるようになりました。[14] 1891年以降、多相交流発電機が導入され、複数の異なる位相の電流が供給されました。[15]その後、交流発電機は、アーク照明、白熱灯、電気モーターで使用するために、16ヘルツから約100ヘルツまでの様々な交流周波数用に設計されました。[16]アレクサンダーソン交流発電機のような特殊な無線周波数交流発電機は、第一次世界大戦頃に長波 無線送信機として開発され、真空管送信機に置き換えられるまで、いくつかの高出力無線電信局で使用されました。[要出典]
動作原理
磁界に対して相対的に移動する導体は、起電力（EMF）を発生します（ファラデーの法則）。この起電力は、反対極性の磁極の下を移動すると極性が反転します。通常、回転子と呼ばれる回転磁石が、鉄心にコイル状に巻かれた固定された導体群（ステータ）内で回転します。磁界が導体を横切り、機械的な入力によって回転子が回転すると、誘導起電力（EMF）が発生します。[要出典]
回転磁界は固定子巻線に交流電圧を誘導します。固定子巻線の電流は回転子の位置に応じて変化するため、オルタネーターは同期発電機です。[3]
ローターの磁界は、永久磁石または界磁コイル電磁石によって生成されます。自動車用オルタネータはローター巻線を使用しており、ローター界磁巻線の電流を変化させることでオルタネータの発電電圧を制御できます。永久磁石式発電機はローターの磁化電流による損失を回避できますが、磁石材料のコストが高いためサイズが制限されます。永久磁石の磁界は一定であるため、端子電圧は発電機の速度に比例して変化します。ブラシレスAC発電機は通常、自動車用に使用されるものよりも大型です。[要出典]
自動電圧制御装置は、出力電圧を一定に保つために界磁電流を制御します。需要の増加により固定電機子コイルからの出力電圧が低下した場合、電圧調整器（VR）を介して回転電機子コイルに供給される電流が増加します。これにより界磁コイル周囲の磁界が増加し、電機子コイルに発生する電圧が増加します。こうして、出力電圧は元の値に戻ります。[要出典]
中央発電所で使用される交流発電機は、界磁電流を制御して無効電力を調整し、瞬時故障の影響から電力系統を安定化させます。多くの場合、固定子巻線は3組あり、物理的にオフセットされているため、回転磁界は互いに3分の1周期ずつずれた三相電流を生成します。 [17]
同期速度
固定巻線上の一点を一対の界磁極が通過するたびに、交流電流の1サイクルが生成されます。速度と周波数の関係は です。ここでは周波数（Hz、1秒あたりのサイクル数）です。 は極数（2、4、6、…）、 は回転速度（毎分回転数（r/min））です。[18]交流電流システムの古い記述では、周波数が毎分交替回数で表され、各半サイクルを1回の交替回数としてカウントされることがあるため、毎分12,000回の交替回数は100 Hzに相当します。[要出典]
発電機の出力周波数は、極数と回転速度に依存します。特定の周波数に対応する速度は同期速度と呼ばれます。この表[19]にいくつかの例を示します。
| ポーランド人 | 回転速度 (r/min) は次のようになります... | ||
|---|---|---|---|
| 50 Hz | 60 Hz | 400 Hz | |
| 2 | 3,000 | 3,600 | 24,000 |
| 4 | 1,500 | 1,800 | 1万2000 |
| 6 | 1,000 | 1,200 | 8,000 |
| 8 | 750 | 900 | 6,000 |
| 10 | 600 | 720 | 4,800 |
| 12 | 500 | 600 | 4,000 |
| 14 | 428.6 | 514.3 | 3,429 |
| 16 | 375 | 450 | 3,000 |
| 18 | 333.3 | 400 | 2,667 |
| 20 | 300 | 360 | 2,400 |
| 40 | 150 | 180 | 1,200 |
分類
発電機は、励磁方法、相数、回転の種類、冷却方法、用途によって分類されます。[20]
励起によって
オルタネーターで使用される磁場を生成する主な方法は2つあります。1つは永久磁石（永久磁石自体が磁場を生成する）を使用する方法、もう1つは界磁コイルを使用する方法です。永久磁石を使用するオルタネーターは、特にマグネトと呼ばれます。[要出典]
他のオルタネーターでは、巻かれた界磁コイルが電磁石を形成し、回転磁界を生成します。[要出典]
永久磁石を用いて交流電流を生成する装置は、永久磁石オルタネータ（PMA）と呼ばれます。永久磁石発電機（PMG）は、整流子を備えている場合、交流電流または直流電流のいずれかを生成することができます。[要出典]
直結直流（DC）発電機
この励磁方式は、オルタネータと同じ軸に固定された小型の直流（DC）発電機で構成されます。DC発電機は、接続されたオルタネータの界磁コイルを励磁して発電するのに十分な量の電力を生成します。このシステムのバリエーションとして、始動時にバッテリーからの直流電流を用いて初期励磁を行い、その後オルタネータが自励するタイプのオルタネータがあります。[20]
直結交流発電機
この励磁方式は、オルタネータと同一軸に固定された小型の交流発電機で構成される。交流ステータは少量の界磁コイル励磁電流を発生させ、この電流はローターに誘導され、巻線に内蔵されたブリッジ整流器によって直流に整流され、接続された大型オルタネータの界磁コイルを励磁して発電する。このシステムにはブラシが不要という利点があり、寿命が延びるものの、全体的な効率は若干低下する。このシステムのバリエーションとして、始動時の初期励磁にバッテリーからの直流電流を使用し、その後オルタネータが自励するタイプのオルタネータがある。[20]
変革と修正
この方式は、鉄心に残留する残留磁気を利用して弱い磁場を発生させ、これにより微弱な電圧を発生させます。この電圧は界磁コイルを励磁するために使用され、オルタネーターは電圧上昇過程においてより強い電圧を発生させます。最初の交流電圧が上昇した後、界磁コイルにはオルタネーターから整流された電圧が供給されます。 [20]
ブラシレスオルタネーター
ブラシレスオルタネーターは、1 つのシャフトに端から端まで組み込まれた 2 つのオルタネーターで構成されています。1966 年まで、オルタネーターは回転磁界付きのブラシを使用していました。[21]半導体技術の進歩により、ブラシレスオルタネーターが可能になりました。小型のブラシレスオルタネーターは 1 つのユニットのように見えますが、大型バージョンでは 2 つの部分は容易に識別できます。2 つの部分のうち大きい方がメインオルタネーターで、小さい方が励磁機です。励磁機には、固定界磁コイルと回転電機子 (電力コイル) があります。メインオルタネーターは、回転磁界と固定電機子を使用した逆の構成を使用します。回転整流器アセンブリと呼ばれるブリッジ整流器がローターに取り付けられています。ブラシもスリップ リングも使用されていないため、摩耗部品の数が少なくなっています。メインオルタネーターには、回転磁界と固定電機子 (発電巻線) があります。
固定励磁機の界磁コイルに流れる電流量を変化させることで、励磁機からの三相出力が変化する。この出力は、ローターに取り付けられた回転整流器アセンブリによって整流され、その結果得られる直流電流が主発電機の回転磁界に供給され、ひいては発電機の出力となる。その結果、微小な直流励磁電流が間接的に主発電機の出力を制御することになる。[22]
フェーズ数別
オルタネーターを分類する別の方法は、出力電圧の相数です。出力は単相または多相です。三相オルタネーターが最も一般的ですが、多相オルタネーターには二相、六相、またはそれ以上の相数を持つものもあります。[20]
部品を回転させることにより
オルタネータの回転部は、電機子または磁界である。回転電機子型では、電機子はローターに巻かれ、巻線は固定磁界中を移動する。回転電機子型はあまり使用されない。 [20]回転磁界型では、ローターに磁界が与えられ、固定電機子巻線を介して回転する。この利点は、ローター回路が電機子回路よりもはるかに少ない電力を運ぶため、スリップリング接続が小型化され、コストも削減できることである。直流ローターには2つの接点しか必要ないのに対し、ローター巻線は3相で構成され、複数のセクションそれぞれにスリップリング接続が必要となることが多い。固定電機子は、数万ボルトまでの任意の中電圧レベルに巻くことができる。数千ボルトを超える電圧のスリップリング接続の製造はコストが高く、不便である。[要出典]
冷却方法
多くのオルタネーターは、オルタネーターを駆動するシャフトに取り付けられたファンによって筐体内に送り込まれる外気によって冷却されます。路線バスなどの車両では、電気システムへの負荷が高いため、大型のオルタネーターを油冷式にする必要がある場合があります。[23]船舶用途では水冷式も使用されます。高価な自動車では、高い電気システム負荷に対応するために水冷式オルタネーターが使用される場合があります。[要出典]
特定のアプリケーション
同期発電機
ほとんどの発電所は、発電機として同期機を使用しています。これらの発電機を電力系統に接続するには、同期条件を満たす必要があります。[24]同期発電機は、いくつかの重要なシステムサービスを提供します。その固有の回転慣性により、突然の発電喪失後の初期周波数低下が緩やかになり、タービン調速機やその他の周波数制御予備力が応答してバランスを回復する時間を確保します。この役割は、太陽光発電や多くの近代的な風力発電所などの非同期発電が多くの電力系統で増加するにつれて、ますます重要になっています。[25]
自動車用オルタネーター
オルタネーターは、現代の内燃機関 自動車において、エンジン作動時にバッテリーを充電し、電気システムに電力を供給するために使用されている。 [26]
1960年代まで、自動車には整流子付きの直流ダイナモ発電機が使用されていました。手頃な価格のシリコンダイオード整流器が利用可能になったことで、オルタネーターが代わりに使用されるようになりました。[27]
ディーゼル電気機関車用オルタネーター
後期のディーゼル電気機関車およびディーゼル電気多重ユニットでは、原動機が発電機を回し、主電動機（交流または直流）に電力を供給する。[28] [29]
トラクションオルタネーターには通常、シリコンダイオード整流器が組み込まれており、トラクションモーターに最大1,200ボルトの直流電圧を供給します。[30]
初期のディーゼル電気機関車、そして現在も運行されている機関車の多くは、シリコンパワーエレクトロニクスが登場する以前は直流発電機を使用していました。これは、直流主電動機の速度制御が容易だったためです。これらの機関車のほとんどは2つの発電機を備えており、1つはより大きな主発電機への励磁電流を生成するためのものでした。[31]
オプションとして、発電機はヘッドエンド電力（HEP）または電気列車暖房用の電力も供給します。HEPオプションでは、機関車が停止している場合でも、エンジン回転数を一定に保つ必要があります。通常、480 V 60 HzのHEPアプリケーションでは900 r/minです。[要出典]
船舶用オルタネーター
ヨットで使用される船舶用オルタネーターは、自動車用オルタネーターと似ており、海水環境に適切に適応しています。船舶用オルタネーターは防爆型（点火保護型）に設計されているため、ブラシの火花がエンジンルーム環境で爆発性ガス混合物に引火することはありません。搭載されているシステムの種類に応じて、12 ボルトまたは 24 ボルトになります。大型の船舶用ディーゼルエンジンには、現代のヨットの大きな電力需要に対応するために、2 つ以上のオルタネーターが搭載されている場合があります。オルタネーターが 1 つの回路の場合、分割充電ダイオード（バッテリー アイソレーター）または電圧感知リレーを使用して、エンジン始動バッテリーと家庭用バッテリー（または複数のバッテリー）に電力を分割できます。大型の住宅用バッテリー バンクは高価なため、船舶用オルタネーターでは通常、外部レギュレーターが使用されます。多段レギュレーターは、界磁電流を制御して充電効率（充電時間）とバッテリー寿命を最大化します。多段レギュレーターは、さまざまなバッテリー タイプに合わせてプログラムできます。 2 つの温度センサーを追加できます。1 つはバッテリーの充電電圧を調整するためのもので、もう 1 つは実際のオルタネーターの過熱から保護するための過熱センサーです。[引用が必要]
航空
ラジオオルタネーター
可変磁気抵抗型高周波交流発電機は、低周波無線帯域における無線伝送に商業的に応用された。モールス信号の伝送に使用され、実験的には音声や音楽の伝送にも使用された。アレクサンダーソン交流発電機では、界磁巻線と電機子巻線はともに固定されており、回転子（巻線や通電部を持たない）の磁気抵抗の変化によって電機子に電流が誘導される。このような機械は、効率は低かったものの、無線伝送用の高周波電流を生成するために作られた。[32]
参照
参考文献
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外部リンク
- ホワイト、トーマス・H.、「オルタネーター・トランスミッターの開発（1891–1920）」EarlyRadioHistory.us。
- Integrated Publishing (TPub.com) の Alternators
- 木製低回転オルタネーター、ForceField、コロラド州フォートコリンズ、米国
- WindStuffNowで3相オルタネーターを理解する
- オルタネーター、アーク、スパーク。最初のワイヤレス送信機（G0UTYホームページ）
