自己励磁DC発電機とは何か

セルフエキサイテッドDC発電機とは何か

セルフエキサイテッドDC発電機

励磁コイルを備えた現代のDC発電機は、セルフエキサイテッド発電機であり、初期には励磁コイルに小さな電流が流れ始めます。発電機が停止しているとき、ロータ鉄心に小さな磁力が生じ、これによりアーマチュアに起電力が誘導され、フィールド巻線に電流が生成されます。最初は弱い磁場がコイルに小さな電流を生じますが、自己励磁を維持するためには追加の磁束が必要で、これがロータ内の起電力を増加させ、電圧が継続的に上昇し続けます。

動作メカニズム

ロータ鉄心に少量の磁性が保持されています。この残磁が主極に起電力を誘導し、スタータコイルに初期電流を生成します。

コイルを通る小さな電流が磁場を強化します。結果として、出力電圧とフィールド電流が増加します。このサイクルは、アーマチュアの起電力が励磁巻線両端の電圧降下を超えるまで続きます。しかし、一定のレベルに達すると、フィールド極が飽和し、電気的平衡が達成され、アーマチュアの起電力はそれ以上増加せず、電流も増えなくなります。励磁巻線の抵抗値は一定であり、この抵抗値によって自己励磁が実現できます。この抵抗値は発電機の電気パラメーターによって変動することがあります。

DC発電機の種類

DC発電機は主に直列巻線、並列巻線、複合巻線に分けられ、それぞれ異なるコイル配置と電圧調整特性を持っています。

直列巻線発電機

直列巻線発電機では、フィールド巻線とアーマチュア巻線が直列に接続され、外部回路と巻線の両方を通過する電流が流れます。フィールドコイルは低抵抗で、太いワイヤーの数ターンで構成され、負荷抵抗が減少するにつれて電流が増加します。

その結果、磁場と出力電圧が回路内で増加します。このようなタイプの発電機では、出力電圧は負荷電流に直接比例して変動しますが、これは多くの用途では必要ありません。そのため、このようなタイプの発電機はほとんど使用されません。

並列巻線DC発電機

並列巻線発電機では、フィールド巻線がアーマチュアと並列に接続され、回路全体で一定の電圧が維持されます。フィールド巻線は多くのターンを持つことで高抵抗となり、通過する電流を制限し、残りの電流を負荷に送ります。

並列巻線発電機では、並列接続されているため、各ブランチの電流は互いに独立しています。そのため、出力電圧はほぼ一定で、変動する場合でも負荷電流に対して逆比例します。これは、アーマチュア抵抗が増加するにつれて電圧降下が生じるためです。 

複合巻線発電機

複合巻線発電機は直列巻線発電機と並列巻線発電機の進化版です。発電機の動作原理は両者の組み合わせであり、両者の欠点を克服することができます。直列フィールド巻線と並列フィールド巻線の両方を持ちます。接続方法に基づいて、複合巻線発電機は短並列複合発電機と長並列複合発電機の2種類があります。

 長並列複合発電機

ここでは、図のように並列フィールド巻線がアーマチュアのみと並列に接続されています。直列巻線はその後直列に接続されます。

 短並列複合発電機

ここでは、図のように並列フィールド巻線がアーマチュアのみと並列に接続されています。直列巻線はその後直列に接続されます。

複合DC発電機の利点

複合発電機では、負荷電流が増加するとアーマチュア電圧が自動的に低下し、並列巻線による磁場が減少します。しかし、同じ負荷電流が直列巻線を通過することで磁場が増加します。このように、並列巻線での磁場の減少が直列巻線での磁場の増加によって補償され、出力電圧は一定に保たれます。

 可換および微分複合DC発電機

複合巻線発電機には並列巻線と直列巻線の両方があり、その組み合わせにより大きな違いが生まれます。直列巻線が並列巻線を補助すると、その影響は大きくなり、これを可換複合巻線と言います。一方、直列巻線が並列巻線と反対方向に作用すると、その影響は小さくなり、これを微分複合発電機と言います。