第三種電気主任技術者の過去問
平成28年度（2016年）
電力 問24

水車発電機は、タービン発電機に比較して回転が低速です。低速回転で商用周波数の５０Ｈｚ／６０Ｈｚを作るため、磁極を多数設ける必要があります。そこで回転子の直径を大きくして回転子の外側に界磁極を極数分並べて界磁巻線を形成します。この界磁極が突起状に並んでいるのが突極型で、容易に極数を増やすことができます。また、軸方向の長さは短くなります。軸を垂直に立てた立軸型は、設置面積が少なくて済み、落差を有効に利用できるといったメリットがあります。

一方、タービン発電機は高速で回転させるので、商用周波数の５０Ｈｚ／６０Ｈｚを作るのに磁極数も少なくて済みます（例えば、磁極数が2の場合、５０Ｈｚで３，０００ｒｐｍ、６０Ｈｚで３，６００ｒｐｍとなります ）。高速回転に耐えられるように、円筒形の回転子は直径を小さくし、軸方向に長くしています。また、回転子表面に溝を切り、巻線を埋め込んで、出っ張りを無くしています。

よって、（ア）には‟突極機”、（イ）には‟円筒機”が入ります。

はずみ車は、フライホイールとも言い、重量のある円盤状の車輪を回転させ、慣性の力で速度変動（水流の変化や負荷トルクの変動）を吸収して回転数を一定に保ちます。

短絡時の電流は定格電流の何倍か、を表したものが短絡比です。短絡比が大きくなると、短絡時の電流が増えます。

同期インピーダンスは、同期発電機の内部インピーダンスのことを言います。また、同期インピーダンスと短絡比は、逆数の関係にあり、同期インピーダンスが小さいほど、電流は流れやすくなり、短絡比は大きくなります。

電機子巻線の巻き数を少なくすると、同期インピーダンスも下がり、短絡比が大きくなります。ただし、巻き数が少ない分、同じ電圧を誘起するために、大きな磁束が必要となり、鉄芯も大きくなる傾向にあります（鉄機械）。

一方、電機子巻線の巻き数を多くすると、線長が長くなって同期インピーダンスが上がり、短絡比は小さくなります。鉄心は比較的小さくて済みますが、巻線である銅の量が多くなるので、銅機械と言います。

送電線路と大地の間や、送電線と送電線の間には静電容量が生じます。そのため、無負荷であってもこの静電容量への充電電流が流れてしまいます。
線路充電容量は、この送電線路への充電電流をどれだけ許容できるかの量になります。
同期インピーダンスが小さいほど、充電電流の許容量が増える、すなわち線路充電容量が大きくなります。

水車発電機（鉄機械）は電機子巻線の巻き数が少なく、同期インピーダンス（内部インピーダンス）が小さいので、短絡比が大きく、線路充電容量も大きくなります。また、安定度が高く、電圧の変動も小さくなります。

よって、（ウ）には‟大きく”、（エ）には‟小さく”、（オ）には‟線路充電容量”が入ります。

以上より、正解は１．になります。

同機器の知識に関する問題です。


同機器の回転子は大きく2種類存在します。
突極型と円筒型です。

突極型は凸型の磁極片が四方に飛び足しており、高速回転に適した形状でありません。
円筒型は名前通りの形状で、高速回転に適しています。

よってアは突極型、イは円筒型となります。


同機器の出力を決める誘導起電力Eは
E=4.44×巻線係数ｋ×周波数ｆ×巻き数ｎ×磁束密度Φ
で求まります。


銅機械は、電機子巻線の巻き数を多くすることでEを大きくしました。
鉄機械は、電機子巻線の巻き数より、
磁束密度を上げるアプローチを取った機械です。


巻き数を減らした結果、電機子反作用が小さくなり同期インピーダンスも減少します。
同期インピーダンスと短絡電流は反比例の関係にあるため、短絡比は増加します。
また電圧変動率が小さいため、許容できる進相電流も大きくなります。


よってウは大きく、エは小さく、オは線路充電容量となります。

（ア）：突極機
　水車発電機は低速で回転するため、商用周波数を得るためには磁極を多く取る必要があります。これにより、局数を多くすることが容易な突極機が用いられます。

 

（イ）：円筒機
　タービン発電機は高速で回転するため、直径が小さく軸方向に長い円筒状の構造が採用されます。これにより、大きな遠心力に耐えることができます。

 

（ウ）：大きく

　同期インピーダンスは短絡インピーダンス／定格インピーダンスで表されます。オームの法則より電圧は電流×抵抗なので、同期インピーダンスが小さいほど電圧変動率は小さくなります。
　短絡比は短絡電流／定格電流で表されます。これを変形すると同期インピーダンスの逆数になります。つまり同期インピーダンスが小さいと短絡比は大きくなります。

 

（エ）：小さく

　（ウ）の解説を参照。
 

（オ）：線路充電容量

　線路充電容量とは「許容できる進み無効電流」を言います。進相電流は発電機の界磁を増し、端子電圧を上昇させます。この程度が短絡比の大きな発電機では小さいため、短絡比の小さな発電機より大きな進相電流が許容されます。