励磁システム

励磁システム

定義

励磁システムは同期機械の重要な構成要素であり、ロータ巻線に必要なフィールド電流を供給する役割を担っています。つまり、フィールド巻線に電流を流すことによって磁束を生成するように設計されています。理想的な励磁システムを定義する主要な属性には、すべての運転状況での揺るぎない信頼性、シンプルな制御機構、メンテナンスの容易さ、安定性、および高速な過渡応答があります。

同期機械が要求する励磁の大きさは、負荷電流、負荷の力率、機械の回転速度など、複数の要因に依存します。大きな負荷電流、低い回転速度、遅れの力率では、システム内での高いレベルの励磁が必要となります。

励磁装置では、通常各発電機には独自の励磁機があり、これが発電機として機能します。集中型励磁システムでは、2つ以上の励磁機を使用してバスバーに電力を供給します。この集中型アプローチはコスト効果が高いですが、システム内の障害は発電所で動作している発電機に悪影響を与える可能性があります。

励磁システムの種類

励磁システムは主にいくつかのタイプに分類され、以下に示す3つのタイプが最も重要です：直流励磁システム、交流励磁システム、静止形励磁システム。さらに、ロータ励磁システムやブラシレス励磁システムなどのサブタイプがあり、以下で詳細に説明します。

直流励磁システム

直流励磁システムは、主励磁機と補助励磁機の2つの励磁機で構成されています。自動電圧調整器（AVR）は、このシステムにおいて重要な役割を果たし、励磁機の出力を調整します。この調整は、発電機の出力端子電圧を正確に制御することを目的としています。電流変換器からの入力は、障害条件での発電機電流を制限するための保護機能として機能します。

フィールドブレーカーが開いている場合、フィールド巻線間にフィールド放電抵抗が接続されます。フィールド巻線が非常にインダクティブであるため、この抵抗は蓄積されたエネルギーを散逸させるために必要不可欠であり、誘導電圧による系統コンポーネントの損傷から保護します。

直流励磁システム（続き）

主励磁機と補助励磁機は、同期機械の主軸によって直接駆動されるか、外部モーターによって独立して駆動される2つの方法で電源を供給することができます。直接駆動型の励磁機は多くの場合、選択されます。これは、単位の運用システムの整合性を維持し、励磁過程が外部の妨害から影響を受けないようにするためです。

主励磁機は通常、約400ボルトの電圧定格を持ち、その容量は発電機の容量のおよそ0.5%程度です。しかし、ターボ発電機では、励磁機の問題が比較的一般的です。これらの機械の高回転速度により、摩耗が増加し、励磁機が故障しやすくなります。これを解決するために、別途モーター駆動型の励磁機が予備装置として設置され、主励磁機の故障時には代わりに稼働します。

交流励磁システム

交流励磁システムは、主発電機軸に直接結合された発電機とサイリスタ整流橋を統合しています。このシステムの主励磁機は、自己励磁モードと外部電源を用いた分離励磁モードの2つのモードで動作することができます。交流励磁システムはさらに2つの異なるカテゴリに分かれ、それぞれが独自の特性を持っています。これらについては以下で詳しく説明します。

回転サイリスタ励磁システム

図に示すように、回転サイリスタ励磁システムは破線で区切られた明確な回転部を持っています。このシステムは、交流励磁機、静止フィールド、および回転アーマチュアで構成されています。交流励磁機からの出力は全波サイリスタ橋式整流回路によって整流され、変換された直流出力は主発電機のフィールド巻線に供給され、発電機の動作に必要な磁場を生成します。

回転サイリスタ励磁システムでは、発電機のフィールド巻線も追加の整流回路によって電源供給されます。励磁機は残留磁束を利用して電圧を確立することができます。電源ユニットと整流制御機構は、精密に制御されたトリガ信号を生成します。自動運転モードでは、発電機電圧信号は平均化されてから、操作者が設定した電圧調整値と直接比較されます。一方、手動運転モードでは、発電機の励磁電流が別の手動調整電圧基準と比較されます。

ブラシレス励磁システム

ブラシレス励磁システムは以下の図に示されており、その回転部品は破線の矩形で囲まれています。この高度なシステムは、発電機、整流器、主励磁機、永久磁石発電機を含んでいます。主励磁機と補助励磁機はどちらも機械の主軸によって駆動されます。主励磁機は静止フィールドと回転アーマチュアを特徴とし、回転アーマチュアの出力はシリコン整流器を通じて直接主発電機のフィールド巻線に接続され、電力の無刷きで滑らかな励磁が可能になります。

補助励磁機はシャフト駆動型の永久磁石発電機です。これはシャフトに固定された回転永久磁石と三相静止アーマチュアを持っています。このアーマチュアはシリコン整流器を通じて主励磁機フィールドに電力を供給し、最終的に主発電機の励磁に貢献します。また、別の構成では、補助励磁機は依然としてシャフト駆動型の永久磁石発電機ですが、三相全波位相制御サイリスタブリッジを使用して主励磁機に電力を供給します。

ブラシレス励磁システムはいくつかの顕著な利点を持っています。コムミュテータ、コレクター、ブラシの使用を排除することで、メンテナンス要件を大幅に削減します。また、応答時間が0.1秒未満という非常に短い時間定数を持っています。この短い時間定数は、システムの小信号ダイナミック性能を向上させ、小さな電気的な擾乱に対してより迅速かつ正確に応答できるようにします。さらに、補助電力系安定化信号の組み込みを簡素化し、これによりグリッドの安定性を維持することが可能です。

静止形励磁システム

静止形励磁システムでは、電力供給は直接発電機から得られます。これは、三相星形/三角形接続の降圧トランスフォーマーを介して実現されます。このトランスフォーマーの一次巻線は発電機バスに接続され、二次巻線は複数の機能を持ちます。それは整流器に電力を供給し、交流を直流に変換して励磁に使用します。さらに、グリッド制御回路や他の関連電気設備にも電力を供給し、励磁と制御システム全体の円滑な動作を確保します。

静止形励磁システムは非常に短い応答時間を特徴とし、電気条件の変化に迅速に対応できます。この高速応答性により、優れたダイナミック性能が得られ、変動する負荷やさまざまな電力需要下でも安定した動作を維持することができます。

このシステムの主要な利点の一つは、動作コストを大幅に削減できることです。伝統的な励磁機を排除することで、移動部品と周囲の空気との間の摩擦によって消耗される風量損失をなくします。また、励磁機巻線の定期的なメンテナンスの必要性がなくなることで、メンテナンス費用が大幅に削減されます。これらのコスト削減機能により、静止形励磁システムは幅広い用途で経済的に魅力的な選択肢となります。