発電・送配電

I

プロローグ

発電とは、さまざまなエネルギーを電気エネルギーに変換すること。また、送電または配電とは、発電所でつくられた電気エネルギーを、一般家庭や工場などに輸送するためのシステムである。発電に利用されるエネルギーには、水力エネルギー、熱エネルギー、原子力エネルギー、および潮汐力、風力、太陽光、地熱などの自然エネルギーがある。→ エネルギー資源

II

発電機

発電機は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。ダイナモ、ジェネレーターともいわれ、直流発電機と交流発電機がある。

発電機は、1831年、イギリスの科学者マイケル・ファラデーによって発明された、電磁誘導の原理を利用したものである。この原理は、磁界の中で導体をうごかすか、固定した導体の輪の中で磁界の強さを変化させると、導体に電流がながれるというものである。→ 磁気

発電機のうちでもっとも単純なものに、ファラデーがつくった円盤型のダイナモがある。これは、銅製の円盤を馬蹄形の磁石の間においたもので、円盤が回転すると、磁力によって円盤の中心と縁の間に電流がながれる。永久磁石の磁界の強さはかぎられ、実験的に電力をつくりだすことしかできないが、大型の発電装置には、電磁石が利用されている。

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直流(DC)発電機

直流発電機は、固定された電磁石と、電磁石の磁界N極、S極の間で回転するコイルをまいた円筒状の電機子から構成されている。電機子が磁界の間で回転すると、電機子にながれる電流は、半分回転する間に一方向にながれ、もう半分回転する間に逆方向にながれる。つまり、コイルにながれる電流は交流電流である。直流発電機では、この交流電流を直流にするために、電機子が1回転する間に1回、電流の向きを反転する必要がある。

かつての直流発電機では、金属製の輪を2分割した整流子で電流を反転させていた。整流子は、それぞれ絶縁され、電機子コイルの端子の役目をはたしている。これに、外部の回路に接続されたブラシを接触させる。ブラシは2つあり、電機子が回転すると、ブラシは整流子の半分の輪と接触する。ブラシは、電機子コイルの電流の向きが反転する瞬間に、整流子の別の半分の輪の部分と接触する。こうして、発電機が接続された外部の回路には、直流電流がながれる。一般的に、このような直流発電機でつくりだされる最高電圧は、1500Vである。最近では、ダイオードなどの素子をつかって、電流を反転させる直流発電機もつかわれている。

もっとも新しい直流発電機は、電機子のすき間にまいた多数の巻線を多極整流子に接続した、ドラム型電機子を使用している。コイルが1つだけの電機子では、磁界の中をコイルがとおる位置によって、生じる電流の大きさが変化する。ドラム型発電機では、多極整流子をつかって、磁束密度の大きい領域をとおるコイルを外部回路につなぐ。その結果、電機子の巻線からえられる電流はほぼ一定になる。最新の直流発電機は、4～8の電極をそなえ、磁束密度を大きくしている。電機子の磁気作用による磁束のひずみをなくすために、小さな補極を追加することもある。

直流発電機は、界磁石を励磁するために、界磁電流をながす方法によって3つに分類される。直巻発電機は、界磁巻線が電機子と直列に接続されている。分巻発電機は、界磁巻線が電機子と並列に接続されている。複巻発電機は、界磁巻線が電機子と直列に接続された部分と、並列に接続された部分がある。直巻発電機は、電圧が変化しても一定の電流を供給する。また、分巻発電機は、電機負荷が変動しても電圧が安定しているという利点がある。

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交流発電機(同期発電機)

整流子をつかわない発電機は交流電流をつくりだす。大型発電機のほとんどは交流型で、水力・火力・原子力発電所などで多用されている。交流発電機には、直流発電機とことなる点が2つある。ひとつは、電機子の巻線が、発電機の軸にあるスリップリングに接続されていることである。もうひとつは、界磁コイルが、外部の直流電源から電力が供給されていることである。

低速回転の交流発電機では、効率を高めて必要な周波数が容易にえられるように、100個程度の磁極がつくられる。高速回転のタービンで駆動される交流発電機には、磁極が2個だけのものもある。交流発電機でつくられる電流の周波数は、磁極の数と電機子の1秒当たりの回転数との積の半分である。日本では、静岡県の富士川を境にして、東は50ヘルツ、西は60ヘルツで発電されている。

発電機で高い電圧を発生させたい場合がある。しかし、ブラシやスリップリングの間で火花やショートの危険性があるため、電機子を高速で回転することはできない。そのため、電機子を固定して、その内部で多数の磁界からなる回転子を回転する構造となっている。発電の原理は、磁界がうごく以外は、交流発電機とまったく同じである。

交流発電機で発生する電流は、最大値までふえるとゼロに減少し、さらに負の最大値までさがると、ふたたびゼロにまでふえることを何度もくりかえす。電流の周波数の波形は、正弦波となるように工夫されており、くりかえす数は装置の周波数によってきまる。このような電流は、単相交流として知られている。

また、電機子がたがいに直角にとりつけられ、別々に接続された2つのコイルをそなえている場合には、一方の巻線の電流が最大値のときには、他方がゼロになるような2つの電流がつくられる。そのような電流は、二相交流とよばれる。電機子が120°で配置され、3つの巻線をそなえている場合は、電流は三相交流という3つの波となる。電機子の巻線の数をふやすほど、多くの位相をえることができるが、現在の産業用電力は三相交流がもっともひろく利用され、三相交流発電機がもっとも多い。交流発電機で発生する電圧は高く、1万Vをこえる。→ モーター