三相交流発電機の仕組み

この記事で書いていること

  • 三相交流の発電原理
  • 三相交流の説続方法
  • 三相交流の起電力

について説明しています。

目次

三相交流発電機の特徴

三相交流発電機は、大きな電気を送れる事や送電線の本数が3本で済むこと。

さらに、工場などで使う電動機を回す回転磁界が、簡単に作れるなどのメリットがあるので、発電にはよく使われます。

電力会社で行っている発電は 三相交流 と呼ばれるものです。

三相交流のメリット

  • パワーが大きいこと。モータなどでハイパワーなものを駆動させることができます。
  • 三相分の電力を3本の電線で送電できる。
  • 回転磁界が簡単に得られること。

三相交流の発電原理

三相交流発電機は、3つのコイル \(\rm A、B、C\) を互いに 120度 \(\cfrac{2}{3}π\) の角度を付けて配置してあります。

中央の磁石を回転させると それぞれのコイルに起電力(それぞれは単相交流)が発生します。

コイルに120度の角度があるので、発生する起電力も互いに120度ずれた波形になります。

このような関係にある3つの起電力を 三相交流 と言います。

発生する起電力

三相交流発電機の磁石を、角速度 ω [rad/s] で回転すると

コイルAには

\(e_a=E_m\sinωt\)

コイルBには

\(e_b=E_m\sin(ωt-\cfrac{2π}{3})\)

コイルCには

\(e_c=E_m\sin(ωt-\cfrac{4π}{3})\)

の起電力が発生します。

このとき発生する 起電力は、振幅(大きさ)と周波数が等しく 位相 が互いに (\cfrac{2π}{3}) [rad] 異なる三つの起電力となります。

三相交流発電機のコイルと磁極の位置関係

コイル \(\rm A\) に発生する起電力の大きさと、磁石の磁極の位置関係を示したのが下の図になります。

図に示すような正弦波で、大きさが等しく互いの位相が 120度ずれた起電力のことを 対称三相交流 と言います。

三相電源の接続方法

三相交流電源の接続には、発生した起電力を デルタ接続(三角形) と スター接続(Y接続) にして使う方法があります。

デルタ接続

  • 出力端子 U-V の間にはコイルA で発電された \(V_A\) が出力されます。
  • 出力端子 V-W の間にはコイルB で発電された \(V_B\) が出力されます。
  • 出力端子 W-U の間にはコイルC で発電された \(V_C\) が出力されます。
  • この接続では、相電圧と線間電圧は等しくなります。

スター接続

  • 3つのコイルの一方を中性点N で接続します。
  • 残った各端子間で出力を取ります。
  • この接続では線間電圧は相電圧の \(\sqrt{3}\) 倍 になります。

以上で「三相交流発電機の仕組み」の説明を終わります。

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