電気電子工学概論

電力の発生と電気機器

教科書 ８・１～８・５

発 電

水力発電・・・落下する水により水車(タービン)を回し、その回転力で発電機を運転

火力発電・・・化石燃料の燃焼により蒸気を発生させ、蒸気タービンの回転力で発電機を運転

原子力発電・・・濃縮ウランの核分裂の際の熱エネルギーにより蒸気を発生させ、蒸気タービンの回転力で発電機を運転

MHD発電・・・電磁流体(プラズマなど)を高速度で磁界中に流し、そのとき生じる起電力を利用

半導体の光電効果や熱電効果を利用した直接発電

送電と発電

水 力発電所

火 力発電所

火 力発電所

１ 次変電所

２ 次変電所

３ 次変電所

柱 上変圧器

１ 次送電線

２ 次送電線

154kV 66kV 22kV 6.6kV100～200V

自家用変電所

一 般需要家

送配電には特別の場合を除き三相交流を用いる。交流の周波数：東日本50Hz、西日本60Hz高電圧で送電するほうがエネルギー損失が少ない。

電磁気学の復習１

導体内の自由電子が受ける力

電界(単位長さ当りの電位差)

導体全体で発生する起電力

一様な磁界(磁束密度B)中を速度ｖで運動している長さLの導体

B

v

LF

B

v

Le

電磁気学の復習２

起電力

回路を貫く磁束

ファラデーの法則

V B

v=dx/dt

L

x

一様な磁界(磁束密度B)と垂直な平面上に間隔Lで平行に置かれた導線上を運動している可動導体棒

e

電磁気学の復習３

一様な磁界(磁束密度B)と垂直に置かれた長さLの導体に電流Iを流す。

導体が受ける力

ベクトルで表すと

B

L

I

B

LI

F

F一様な磁界(磁束密度B)と角度θで交わっている長さLの導体に電流Iを流す。導体が受ける力

B

Lsinθ

I F

θ

電磁気学の復習４

一様な磁界中の方形の電流ループに働く力

辺aに働く力・・・

辺bに働く力・・・

電流ループが受けるトルク

B

N S

a

b

N Sθ

F

F

τ

τ

発電機 ～交流発電～

コイルと鎖交する磁束の最大値をΦm、コイルと磁界の角度をθとすると

コイルと鎖交する磁束

起電力

コイルが角速度ωで回転すると

N S

V

N S

B

θ

一様な磁界(磁束密度B)と垂直な回転軸を持つコイル

発電機 ～三相交流発電～

同じコイルを１２０°ずつずらして配置

N S

B1

32

角速度ωで回転すると

コイル1の起電力

コイル2の起電力

コイル3の起電力

発電機 ～単相交流発電機～

N

S

θ

出力端子

励磁用直流

回転子にはNS磁極があり、固定子の鉄心との間に磁気回路を形成。

固定子の溝にn巻のコイルが巻かれている。

コイルと鎖交する磁束

起電力

同期交流発電機

発電機 ～直流発電～

ブラシと整流子→一定方向の起電力(電流)を外部に供給

N S

V

N S

B

ブラシ

整流子

N S

N S

B

V

N S

N S

B

V

発電機 ～直流発電機～

ブラシ 整流子

電機子巻線 電機子

界磁巻線

界磁

N S

巻線を有する回転子を固定した磁極NSの間で回転→各導線に起電力を誘起

電機子・・・起電力を発生する巻線のある回転子界磁・・・磁界を発生させるもの

巻線に誘起する起電力→電機子が回転しても磁極との相対位置は一定

多数のコイルを電機子に分布→出力電圧の脈動は平滑化

電動機 ～直流電動機の原理～

ブラシと整流子→一定方向に回転

ブラシ

整流子

N S

N S

B B

N S

N S

N S

N S

B

電動機 ～直流電動機１～

ブラシ 整流子

電機子巻線 電機子

界磁巻線

界磁

N S

電機子巻線に外部の直流電源から電圧を加える。

→電機子巻線に電機子電流Iaが流れる。

→電機子電流と界磁の磁束の相互作用。

→電機子にトルクが生じて回転を始める。

原理的には電動機と発電機は同じ

電動機 ～交流電動機の種類～

回転磁界を利用する交流電動機

→誘導電動機、同期電動機

回転速度は交流の周波数と密接に関連し一定

整流子を備えた交流電動機

→交流整流子電動機

直流電動機と同様に回転速度を変化できる

電動機 ～三相交流による回転磁界～

a

a'bc

b' c'

Ba

Bb

Bc

t

B

)3/2sin(

)3/2sin(

sin

+=

−=

=

tBB

tBB

tBB

mc

mb

ma

空間的に120°ずつずらしてコイルを配置し、

それぞれのコイルに三相の電流を流す。

電動機 ～誘導電動機の原理～

三相交流による回転磁界→一対の磁極NSを軸XYの回りに一定速度で回転したときの磁界と考えることができる。

回転磁界中にコイルを置く

→磁束は軸XYに平行な2本のコイル導体を横切りながら回転。

→起電力が発生しコイルに電流が流れる。

→回転磁界と同じ向きにトルクが生じてコイルが回転。

N S

Y

X

電動機 ～三相誘導電動機～

誘導電動機・・・固定子と回転子から成る。固定子・・・回転磁界を作る部分。回転子・・・コイルに相当する部分。

かご形回転子と巻線形回転子

固定子

回転軸

固定子巻線

回転子

回転子巻線a

a'

bc

b' c'

三相誘導電動機 かご形回転子

電動機 ～単相誘導電動機～

家庭などで利用される比較的小形の電動機固定子に単相巻線を施し、回転子はかご形の構造

固定子巻線に単相交流を供給→巻線軸方向に交番磁束φiが発生

回転子が左回りに回転していたとする→回転子巻線による磁束φｒが発生

φiとφｒの合成による回転磁界が発生→左回りのトルクを受けて回転を続ける

電動機 ～同期電動機～

a

a' bc

b' c'

I

固定子に三相巻線を施し回転磁界を作り、棒磁石を回転磁界と同じ速度で回転。

→棒磁石のN極とS極が回転磁界のS極とN極と互いに引き付け合って同期速度で回転を続ける。

棒磁石に相当する回転子にはスリップリングとブラシを通して界磁巻線に直流を流し電磁石を作る。

電動機 ～ステップモータ～

a

a' bc

b' c'

同期電動機の交流電源の代わりにパルス分配器と駆動回路から構成された電子回路で作られたパルス電流で駆動する電動機

回転子の磁極と固定子に生じた磁極間に働く磁気吸引力でパルス毎に回転子が駆動される。

パルス毎に一定量の回転角の位置が保持でき、パルス数に従って回転角が定まる。

デジタル型制御系に広く利用

変圧器 ～原理～

理想変圧器・・・鉄心の比透磁率は一定で十分大きく、鉄損や巻線の抵抗は無視できる。

１次巻線

２次巻線

Φ0

鉄心

n1 n2v1 e2～

i0

1次巻線(巻数n1)に電圧v1を加えると、

→1次巻線に励磁電流i0が流れる。

→鉄心の作る磁気回路にn1i0に比例した磁束Φ0が生じる。

→2次巻線(巻数n2)に起電力e2が生じる。

励磁電流を 、磁気回路の磁気抵抗をRとすると

tIi cos00 =

変圧器 ～電圧比～

１次巻線

２次巻線

Φ0

鉄心

n1 n2v1 e2～

i0

磁束

ttR

Inm coscos01

0 ==

1次、2次巻線に生じる起電力

変圧器 ～電流比～

2次巻線に負荷を接続すると2次電流i2が流れる。

→Φ0を減ずるような磁束を生じる。

→1次電流がi１だけ増加する。

１次巻線

２次巻線

Φ0

鉄心

n1 n2v1 e2～

i0

負荷

1次、2次の起磁力が等しいので