結論：同期機は「磁石を回して発電する」電力の主役
発電所の発電機はほぼすべて同期発電機です。回転速度が電源周波数と完全に同期するため「同期機」と呼ばれます。誘導電動機との最大の違いは、常に同期速度で回転することです。
⚡ 同期発電機
発電所の主力
界磁を回して発電
🔄 同期電動機
定速度運転に最適
力率調整も可能
📈 V曲線
界磁電流と電機子電流の
関係を示す重要グラフ
同期機の構造
誘導機との違い
| 項目 | 誘導電動機 | 同期機 |
|---|---|---|
| 回転速度 | 同期速度より遅い | 常に同期速度 |
| 回転子の構造 | かご形・巻線形 | 界磁（電磁石・永久磁石） |
| すべり | あり（2〜5%） | なし（s = 0） |
| 励磁 | 不要（電磁誘導で動く） | 直流励磁が必要 |
| 自力始動 | 可能 | 不可（始動装置が必要） |
回転子の種類
| 種類 | 形状 | 用途 |
|---|---|---|
| 円筒形（非突極） | 円筒状 | 火力発電・原子力発電のタービン発電機。高速回転（2極・4極）に適する |
| 突極形 | 極が突き出た形 | 水力発電。低速回転（多極）に適する。水車の回転速度に合わせる |
覚え方：「火力＝円筒形（高速・少極）」「水力＝突極形（低速・多極）」。タービンは高速で回るので遠心力に強い円筒形、水車はゆっくり回るので多極の突極形です。
同期発電機の原理
発電の仕組み
回転子の界磁巻線に直流電流を流して磁石にし、これを原動機（タービン・水車）で回転させます。すると固定子の巻線を磁束が貫き、ファラデーの法則により誘導起電力が発生します。
同期発電機の誘導起電力
E = 4.44fNφm [V]
変圧器と同じ式。f：周波数、N：巻数、φm：最大磁束
周波数と回転速度の関係
発電周波数
f = pN120 [Hz]
日本の商用電源（50/60Hz）を発電するには、回転速度を正確に一定に保つ必要があります。
【練習問題①】発電機の極数
【問題】回転速度 600 min−1 で 50 Hz の電力を発電するには、何極の同期発電機が必要か。
同期電動機の特徴
同期電動機のメリット
| 特徴 | 内容 |
|---|---|
| 定速度運転 | 負荷が変わっても回転速度が一定（同期速度） |
| 力率調整 | 界磁電流を調整して進み力率で運転できる → 系統の力率改善 |
| 高効率 | 大容量の定速運転では誘導電動機より効率が高い |
同期電動機のデメリット
- 自力始動ができない（始動用のかご形巻線や始動用電動機が必要）
- 直流励磁装置が必要
- 脱調（同期外れ）のリスクがある
V曲線
V曲線とは
同期電動機の界磁電流を変えたときに、電機子電流がどう変化するかを示したグラフです。その形が「V」の字に見えることからV曲線と呼ばれます。
| 界磁電流 | 力率 | 電機子電流 | 電流の性質 |
|---|---|---|---|
| 不足励磁 | 遅れ力率 | 大きい | 誘導電動機と同じく遅れ電流。無効電力を消費 |
| 適正励磁 | 力率 1.0 | 最小 | V曲線の底。最も効率が良い |
| 過励磁 | 進み力率 | 大きい | 進み電流を供給。コンデンサの代わりになる |
超重要：「過励磁で進み力率」。同期電動機を過励磁にすると進相コンデンサと同じ効果が得られ、系統の力率改善ができます。この目的だけに使う同期機を同期調相機といいます。
【練習問題②】V曲線
【問題】同期電動機の界磁電流を増やして過励磁にした場合、電機子電流はどのような性質を持つか。
同期発電機の並行運転
並行運転の条件
複数の発電機を電力系統に接続して同時運転することを並行運転（並列運転）といいます。
- 起電力の大きさが等しい
- 周波数が等しい
- 位相が一致している
- 波形が等しい（正弦波）
- 相回転の方向が等しい
試験のコツ：「電圧・周波数・位相・波形・相回転」の5つ。このうち位相の一致は同期検定器で確認します。
理解度チェック
【第1問】
火力発電所のタービン発電機に用いられる同期発電機の回転子はどれか。
(1) かご形 (2) 巻線形 (3) 円筒形 (4) 突極形 (5) 永久磁石形
【第2問】
同期電動機のV曲線で、電機子電流が最小になるときの力率はいくらか。
(1) 0（遅れ） (2) 0.5（遅れ） (3) 0.8（遅れ） (4) 1.0 (5) 0.8（進み）
【第3問】
同期発電機の並行運転の条件として、必要でないものはどれか。
(1) 起電力の大きさが等しい
(2) 周波数が等しい
(3) 定格容量が等しい
(4) 位相が一致している
(5) 相回転の方向が等しい
【第4問】
同期調相機の主な目的はどれか。
(1) 電圧を変換する (2) 系統の力率を改善する (3) 周波数を調整する (4) 有効電力を発生する (5) 電力を蓄電する
まとめ
- 同期機：回転速度 = 同期速度（すべり = 0）。直流励磁が必要
- 円筒形：火力・原子力（高速・少極）、突極形：水力（低速・多極）
- V曲線：力率1.0で電機子電流最小。過励磁で進み力率
- 同期調相機：過励磁で進み無効電力を供給し力率改善
- 並行運転条件：電圧・周波数・位相・波形・相回転の5つ
- 同期電動機は自力始動不可（始動用装置が必要）
次の記事では、「同期機の計算」を学びます。ベクトル図や出力の計算に進みましょう。
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