同期調相機とは？その仕組みと電力系統における役割

同期調相機とは

「同期調相機」とは、電力系統において発電機の出力を電力網に同期させるために使用される回転機械です。
無負荷状態で電力系統に接続された同期電動機であり、界磁電流を調整することで電力系統の電圧調整や力率改善を行います。

同期電動機は「V曲線」と呼ばれる特性を持っています。
界磁を過励磁状態にするとコンデンサのように進み電流を、
不足励磁状態にするとリアクトルのように遅れ電流を取ります。

例えば、電力系統が重負荷のときは、線路の負荷力率が遅れ気味になるため、
同期調相機を過励磁にして負荷力率を改善し、電圧降下を抑えます。
逆に軽負荷のときは充電電流が大きくなり、負荷力率が進み気味になるため、
同期調相機を不足励磁にして負荷力率を改善し、電圧上昇を抑えます。

また、同期調相機は、発電機と電力網間に接続された回転子と固定子で構成されます。
回転子には直流電気が印加され磁界を生成し、固定子には交流電気が印加されて磁界を生成します。
これらの磁界が相互作用することで、回転子は電力網の周波数に対応する同期速度で回転します。

回転子が同期速度で回転することで、発電機の出力は電力網に同期して供給され、
安定した電力供給が実現します。これにより、電力系統の安定性と効率的な運用が確保されます。

同期電動機の特性を利用

同期調相機は、同期電動機の特性を利用して作動します。同期電動機とは、電磁石の力を利用して回転する電動機で、その回転速度は電磁石に供給される交流電源の周波数と同期しています。この特性により、同期電動機は交流発電機の回転を安定させることができます。

同期調相機は、同期電動機の回転子に励磁コイルを接続して作られます。励磁コイルには直流電流を流し電磁石を形成することでローターを磁化します。この磁化されたローターが交流電源の周波数と同期して回転することで、交流発電機の回転を安定させる役割を果たします。

電力系統の電圧調整

電力系統において、電圧の調整は安定したシステムの運用に欠かせません。同期調相機は、発電機に接続された大きな電動機として機能し、電圧調整に重要な役割を果たします。

同期調相機は、発電機と電力系統を接続し、発電機の端子電圧を電力系統の電圧に合わせます。これにより、電力系統全体の電圧が一定に保たれ、電力の安定した供給が確保されます。

さらに、同期調相機は、電力系統内の無効電力を制御し、系統の安定性を向上させます。

電力系統の力率改善

同期調相機は電力系統において、力率の改善という重要な役割を果たしています。電力系統における力率とは、有効電力と無効電力の比を示し、系統の効率性に影響します。低力率は送電線上の損失を増大させ、システムの安定性を低下させる原因となります。

同期調相機は、無効電力を消費または供給することで力率を調整します。無効電力とは、電圧と電流が90度位相がずれたエネルギーであり、主に電磁界の形成に使用されます。同期調相機は系統の需要に応じて無効電力を消費または供給し、力率を最適な値に維持します。

この力率改善により、送電線上の損失が削減され、システムの安定性が向上します。さらに、同期調相機は電圧変動の緩衝作用を担い、突然の負荷変動に対する系統の安定性を確保します。

同期調相機のメリット

同期調相機のメリットとして挙げられるのは、電力系統の安定性向上です。同期調相機は慣性エネルギーの貯蔵機能を有しており、系統に急激な負荷変動が発生した際、瞬時に電力を供給して電圧や周波数の変動を抑制します。

また、同期調相機は系統内の複数の発電機を同期させ、安定して電力を供給する役割も果たします。さらに、同期調相機は無効電力の調整にも使用され、電圧の安定維持に貢献します。