無負荷特性曲線と短絡曲線｜発電機の基礎知識5

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2024.11.11

基礎知識

著者：秋田県立大学　名誉教授　穴澤義久

前回は、三相同期発電機の特性を紹介しました。今回は、同期発電機の無負荷特性曲線と短絡曲線を取り上げます。無負荷特性曲線と短絡曲線は、同期発電機の最も基礎的な特性曲線です。また、同期インピーダンス、および短絡比と特性の関係について解説します。

第5回「無負荷特性曲線と短絡曲線」を解説していきます。

第5回もくじ

図1、図2 は、それぞれ、同期発電機の無負荷試験と短絡試験を示す回路です。無負荷試験では、同期発電機を無負荷のまま定格速度で運転します。短絡試験では、スイッチSを閉じて電機子巻線を短絡しておき、同期発電機として定格速度で運転します。

無負荷試験で、界磁電流I_f をゼロから徐々に増加しながら、端子電圧（線間電圧）を測定したとき、界磁電流I_fと無負荷誘導起電力E₀ との関係が得られます。これを無負荷飽和曲線といいます（図3）。

これに対し短絡試験で、界磁電流I_fをゼロから徐々に増加すると、短絡電流I_S とI_f の関係が得られ、ほぼ直線となります。これを三相短絡曲線といいます（図3）。

短絡電流I_S は、誘導起電力E₀ に対してほぼ零力率の遅れ電流となり、その電機子反作用による減磁作用により、界磁起磁力の大部分は打ち消されます。このため、磁束は極めて小さくなり、鉄心は未飽和のため短絡曲線は直線となります。

同期インピーダンスZ_S は、無負荷飽和曲線と三相短絡曲線とから、以下のように求められます。

Z_S は、図3 に示すように、界磁電流I_f が小さく、飽和の影響が現れない範囲で、ほぼ一定値です。しかし、I_f が大きくなると、飽和の影響により小さくなります。従って、一般的に同期インピーダンスは、E₀ が定格電圧V_n に等しいときの、界磁電流I_f に対する値を用います。

また、Z_S を単位法（PU 法、パーユニット法）で表すと、以下の式で表すことができます。

ここで、Z_BASE=V_n/I_n は、基準インピーダンスを表します。

全7回で下記の内容を解説しています。