JP2009165266A

JP2009165266A - 同期発電機

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Publication number: JP2009165266A
Application number: JP2008000408A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Shirai; 信宏白井
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2028-01-07
Also published as: JP5209973B2

Abstract

【課題】三相出力用の同期発電機に簡単な追加改造を行うだけで三相、単相の同時使用を可能とし、発電能力を有効に活用できる同期発電機を提供する。
【解決手段】三相の電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）を１２０度の位相差で中性点（Ｏ）にＹ結線した三相四線式交流同期発電機において、中性点（Ｏ）に、三相の主電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）の各相に同相で、かつ、その誘起電圧が０．２〜０．５倍の副電機子巻線（ｄ，ｅ，ｆ）をそれぞれ接続し、前記電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）の出力端（Ｕ，Ｖ，Ｗ）及び中性点（Ｏ）を三相四線式電源とし、前記電機子巻線（ｄ，ｅ，ｆ）の出力端（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の中の一つ及び該出力端（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の中の一つに対して位相が異なる前記電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）の出力端（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の中の二つを単相三線式電源とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期発電機に関し、詳しくは、三相四線式交流同期発電機から三相四線式と単相三線式とを同時に出力可能とした同期発電機に関する。

低圧の同期発電機には、様々な負荷に電気を供給するため、三相三線式、三相四線式、単相二線式及び単相三線式の４種類があるが、実用的には、三相四線式と単相三線式とが出力できれば、ほとんどの負荷に電気を供給することが可能である。また、一般に、通常の数１０ｋＷクラスの発電機は、同期発電機をエンジンで駆動する可搬型エンジン発電装置が圧倒的に多い。

このような可搬型エンジン発電装置は、工事用やイベント用の仮設電源として様々な場所に移動して使用され、不特定の負荷に電気を供給している。例えば、ポンプやモータ等の電源には三相２００Ｖが使用され、電動工具や事務機等の電源には単相１００Ｖが使用されるため、一般的には、発電機から三相２００Ｖで出力し、負荷側に設けた変圧器で単相１００Ｖに変成することが多く行われているが、この場合は、可搬型エンジン発電装置とは別に変圧器を用意しなければならない。

このようなことから、電機子巻線を分割したり（例えば、特許文献１参照。）、本来の電機子巻線に別の電機子巻線を組み合わせたり（例えば、特許文献２，３参照。）することによって三相四線式と単相三線式とを同時に出力可能な構造を有する同期発電機が提案されている。
特開２００２−３３５６９６号公報特開２００４−７２９８５号公報特開２００６−２０４００５号公報

しかし、上記各特許文献に記載されたものでは、三相巻線を施した場合の理論上取り出せる発電機最大出力を「１」とすると、特許文献１に記載されたものでは三相出力が「０．５」で単相出力が「１／√３」、特許文献２及び特許文献３に記載されたものでは、それぞれ三相出力が「１」で単相出力が「１／√３」となっている。このように、従来の各種方式では、いずれも単相出力は発電機最大能力の１／√３しか使用できないことになる。一方、前記可搬型エンジン発電装置は、様々な用途に用いられるため、単相出力もできるだけ多くの出力を取り出すことが望まれている。

そこで本発明は、三相四線式の同期発電機に簡単な追加配線を加えるだけで単相三線式の出力を大幅に向上させることができる同期発電機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の同期発電機は、三相の電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）を１２０度の位相差で中性点（Ｏ）にＹ結線した三相四線式交流同期発電機において、前記中性点（Ｏ）に、前記三相の電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）の各相に同相で、かつ、その誘起電圧が０．２〜０．５倍の電機子巻線（ｄ，ｅ，ｆ）をそれぞれ接続し、前記電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）の出力端（Ｕ，Ｖ，Ｗ）及び中性点（Ｏ）を三相四線式電源とし、前記電機子巻線（ｄ，ｅ，ｆ）の出力端（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の中の一つ及び該出力端（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の中の一つに対して位相が異なる前記電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）の出力端（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の中の二つを単相三線式電源としたことを特徴としている。

本発明の同期発電機によれば、三相四線式出力を有する同期発電機の電機子巻線に、同相で誘起電圧が０．２〜０．５倍の電機子巻線を追加接続することにより、三相四線式と単相三線式とを同時使用することが可能になるとともに、単相三線式の出力を大幅に向上でき、同期発電機の能力を有効に活用することができる。

図１は本発明の同期発電機の一形態例を示す電機子巻線部分の結線図、図２は同期発電機を駆動したときの電圧ベクトル図である。

この同期発電機は、図１に示すように、同一巻数の三相の電機子巻線ａ，ｂ，ｃ（以下、主電機子巻線ａ，ｂ，ｃという。）を１２０度の位相差で中性点ＯにＹ結線した三相四線式交流同期発電機であって、前記中性点Ｏに、前記主電機子巻線ａ，ｂ，ｃに対して同相で、かつ、その誘起電圧が前記主電機子巻線ａ，ｂ，ｃに対して０．２〜０．５倍の範囲で同一巻数の電機子巻線ｄ，ｅ，ｆ（以下、副電機子巻線ｄ，ｅ，ｆという。）を追加接続したものである。ここでは、主電機子巻線に同相で誘起電圧が小さい副電機子巻線として、主電機子巻線ａに対して副電機子巻線ｄを、主電機子巻線ｂに対して副電機子巻線ｅを、主電機子巻線ｃに対して副電機子巻線ｆをそれぞれ設けている。

このように、中性点Ｏに主電機子巻線ａ，ｂ，ｃと副電機子巻線ｄ，ｅ，ｆとを結線した同期発電機をエンジン等で駆動することにより、前記三相の主電機子巻線ａ，ｂ，ｃの出力端Ｕ，Ｖ，Ｗに向かって電圧ベクトルＵｖ，Ｖｖ，Ｗｖが発生し、出力端Ｕ，Ｖ，Ｗ及び中性点Ｏが三相四線式の電力を出力する電源となる。同時に前記副電機子巻線ｄ，ｅ，ｆの出力端Ｘ，Ｙ，Ｚに向かって電圧ベクトルＸｖ，Ｙｖ，Ｚｖが発生するので、前記副電機子巻線ｄ，ｅ，ｆの出力端Ｘ，Ｙ，Ｚの中の一つ及び該出力端Ｘ，Ｙ，Ｚの中の一つに対して位相が異なる前記電機子巻線ａ，ｂ，ｃの出力端Ｕ，Ｖ，Ｗの中の二つが単相三線式の電力を出力する電源とすることができる。

すなわち、一つの副電機子巻線ｄの出力端Ｘと、これに対して位相が異なる二つの主電機子巻線ｂ，ｃの出力端Ｖ，Ｗとでは、前記電圧ベクトルＶｖ，Ｗｖが発生するとともに電圧ベクトルＸｖが発生することから、例えば、出力端Ｖ，Ｗ間が２００Ｖの場合、副電機子巻線ｄの出力端Ｘが単相三線式の中性点となり、出力端Ｖ，Ｘ間及び出力端Ｘ，Ｗ間は、理論的にはそれぞれ１００Ｖの電圧となる。これにより、出力端Ｖ，Ｘ，Ｗが第１の組の単相三線式電源となる。

同様に、一つの副電機子巻線ｅの出力端Ｙと、これに対して位相が異なる二つの主電機子巻線ｃ，ａの出力端Ｗ，Ｕとでは、前記電圧ベクトルＷｖ，Ｕｖが発生するとともに電圧ベクトルＹｖが発生することから、副電機子巻線ｄの出力端Ｙが単相三線式の中性点となり、出力端Ｗ，Ｕ間が２００Ｖの場合、出力端Ｖ，Ｙ間及び出力端Ｙ，Ｗ間は、理論的にはそれぞれ１００Ｖの電圧となる。これにより、出力端Ｗ，Ｙ，Ｕが第２の組の単相三線式電源となる。

さらに、一つの副電機子巻線ｆの出力端Ｚと、これに対して位相が異なる二つの主電機子巻線ａ，ｂの出力端Ｕ，Ｖとでは、前記電圧ベクトルＵｖ，Ｖｖが発生するとともに電圧ベクトルＺｖが発生することから、副電機子巻線ｅの出力端Ｚが単相三線式の中性点となり、出力端Ｕ，Ｖ間が２００Ｖの場合、出力端Ｕ，Ｚ間及び出力端Ｚ，Ｖ間は、理論的にはそれぞれ１００Ｖの電圧となる。これにより、出力端Ｕ，Ｚ，Ｖが第３の組の単相三線式電源となる。

このように、この同期発電機からは、出力端Ｕ，Ｖ，Ｗ及び中性点Ｏからなる一組の三相四線式電源と、出力端Ｖ，Ｘ，Ｗの組み合わせ及び出力端Ｗ，Ｙ，Ｕの組み合わせ及び出力端Ｕ，Ｚ，Ｖの組み合わせの三組の単相三線式電源とが得られることになる。これらの電源をそれぞれ使用することにより、理論上取り出せる発電機最大出力まで取り出すことができ、同期発電機が有する発電能力を有効に活用することができ、三相四線式電源と三組の単相三線式電源とを最適な状態で組み合わせて使用することにより、同期発電機の最大能力まで引き出すことが可能である。

例えば、上記同期発電機を用いた可搬型エンジン発電装置を災害時の避難所における電源として使用する場合、ポンプやコンプレッサの電源には三相四線式電源の三相２００Ｖを使用し、照明や各種電気製品には単相三線式電源からの単相１００Ｖ、エアコンや調理器具には単相三線式電源からの単相２００Ｖをそれぞれ使用するように、三組の単相三線式電源を３回路に振り分けてそれぞれを適宜な場所のコンセントなどに配線することにより、従来よりも多くの単相出力を提供することができ、１台の可搬型エンジン発電装置でも十分な電力供給を行うことが可能となる。

また、副電機子巻線ｄ，ｅ，ｆの巻数は、理論的には誘起電圧が主電機子巻線ａ，ｂ，ｃの０．５倍になるように設定するが、図２に想像線で示すように、副電機子巻線ｄ，ｅ，ｆの巻数を減らして誘起電圧を主電機子巻線ａ，ｂ，ｃの０．２５倍程度に設定した場合（図２における出力端Ｚｈ）でも、単相の２００Ｖに対して、出力端Ｕ，Ｚｈ間及び出力端Ｚｈ，Ｖ間の単相が１０４Ｖ程度になるだけであるから、０．２〜０．５倍の範囲に設定すれば実用上はまったく問題がない。このように副電機子巻線ｄ，ｅ，ｆの巻数を減らすことにより、副電機子巻線ｄ，ｅ，ｆを追加する際のコスト上昇を抑えることができる。なお、副電機子巻線ｄ，ｅ，ｆの前記誘起電圧を主電機子巻線ａ，ｂ，ｃの誘起電圧に対して０．５倍を超えると、巻線数が増加してコストアップを招くため好ましくない。また、０．２倍未満になると出力電圧が高くなりすぎて電気機器に悪影響を及ぼすことがあり好ましくない。

本発明の同期発電機の一形態例を示す電機子巻線部分の結線図である。同期発電機を駆動したときの電圧ベクトル図である。

符号の説明

ａ，ｂ，ｃ…主電機子巻線、ｄ，ｅ，ｆ…副電機子巻線、Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｚｈ…出力端、Ｕｖ，Ｖｖ，Ｗｖ，Ｘｖ，Ｙｖ，Ｚｖ…電圧ベクトル、Ｏ…中性点

Claims

三相の電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）を１２０度の位相差で中性点（Ｏ）にＹ結線した三相四線式交流同期発電機において、前記中性点（Ｏ）に、前記三相の電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）の各相に同相で、かつ、その誘起電圧が０．２〜０．５倍の電機子巻線（ｄ，ｅ，ｆ）をそれぞれ接続し、前記電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）の出力端（Ｕ，Ｖ，Ｗ）及び中性点（Ｏ）を三相四線式電源とし、前記電機子巻線（ｄ，ｅ，ｆ）の出力端（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の中の一つ及び該出力端（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の中の一つに対して位相が異なる前記電機子巻線（ａ，ｂ，ｃ）の出力端（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の中の二つを単相三線式電源としたことを特徴とする同期発電機。