直流発電機の同期：並列運転と負荷分担のベストプラクティス

直流発電機の並列運転 - 条件、利点、負荷分担

電力システムネットワークでは、相互接続されたネットワークに接続された多数の発電機によって電力が供給されます。単一の大型発電機を使用する代わりに、複数の小型直流または交流発電機を並列運転させます。

場合によっては、直流発電機がバックアッププラントとして使用されます。常に負荷要件を満たす発電機を用意できるとは限らないため、負荷需要を満たすために複数台の直流発電機を並列接続します。

現在、直流発電機の並列運転は、以下の利点を得るためにネットワークで広く利用されています。

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直流発電機並列運転の利点

並列運転の利点は以下の通りです。

給電の継続性

給電の継続性は最重要要件です。発電所が単一の発電機ユニットで構成されている場合、この要件を満たすことはできません。単一ユニットがメンテナンス中または故障している場合、発電所全体が負荷需要を満たせなくなるためです。したがって、単一ユニットの代わりに複数台の発電機を使用すれば、発電所をより確実に運用できます。ほとんどの顧客（病院、工場など）は無停電電源を必要としています。

効率の向上

発電所では、発電機は全負荷で運転されるように設計されており、全負荷で最大効率を発揮します。しかし、電力需要は一定ではありません。昼間のピーク需要と夜間の最小需要の間で変動します。したがって、夜間は小型発電機を、昼間は大型発電機を使用するのが経済的です。需要が増加すれば、両方の発電機を並列接続して効率的に高需要に対応できます。

メンテナンスと修理が容易

発電機は長寿命と効率的な運転のために定期的なメンテナンスが必要です。メンテナンス中は別の発電機で負荷を運転する必要があります。したがって、発電機のメンテナンスが容易になります。また、故障が発生した場合、復旧までに時間がかかります。この状況では、別の発電機で負荷需要を満たせます。

柔軟性

発電機の並列接続は、単一の大型発電機と比較してより高い柔軟性を提供します。複数の小型発電機を接続し、異なる場所に設置できます。単一の大型発電機にはより多くのスペースが必要ですが、複数の発電機であれば異なる場所に分散設置できます。

コスト効率

発電機が常に全負荷で運転されれば、電力コストを削減できます。負荷需要が高いときはより多くの発電機を並列接続し、需要が低いときはより少ない発電機を並列接続します。他の発電機は待機状態にあります。したがって、すべての発電機が全負荷条件で運転されるため、電力コストが削減されます。

増設が容易

電力需要は日々増大しています。したがって、発電所建設時には将来の拡張スペースを確保しておく必要があります。発電所全体を新設する代わりに、より多くの発電機を追加し、並列接続することでより多くの電力需要に対応できます。

これらの利点により、発電機の並列運転は広く利用されています。ご存知の通り、直流発電機は以下の3種類に分類されます。

• 直流分巻発電機
• 直流直巻発電機
• 直流複巻発電機

各タイプの発電機では電機子と界磁巻線の接続が異なります。したがって、ここでは各タイプの発電機を並列接続する方法について説明します。

直流分巻発電機の並列運転

2台の発電機を並列接続するには、それらの正極と負極を母線の正極と負極にそれぞれ接続する必要があります。母線は太い銅製バスバーであり、母線の端子が発電所全体の端子として機能します。

直流分巻発電機の並列運転接続図を以下に示します。

ここでは、発電機1の電機子が母線に接続され、負荷に給電しています。次に、発電機2をこのシステムに接続する必要があります。そのためには、発電機2を同一極性で接続する必要があります。そうでないと、発電機に永久的な損傷を与える重大な短絡が発生します。

発電機2を接続する前に、スイッチSは開放状態です。スイッチ両端に電圧計を接続します。まず、発電機2の電機子を発電機の定格回転数まで加速します。発電機2の励磁を調整し、電圧計がゼロを示すまで行います。ゼロを示せば、端子電圧が母線電圧または発電機1の電圧と同一であることを意味します。

したがって、スイッチSを閉じると、発電機2が発電機1と並列接続されます。しかし、発電機2はまだ負荷を受け持っていません。発電機2の誘導起電力が母線電圧と同一であるため、同一電位差では電流が流れないからです。この状態では、発電機2はシステム内で「浮遊発電機」と呼ばれます。

新しい発電機の誘導起電力は母線電圧より高くする必要があります。この条件下で、発電機2が負荷を供給します。発電機2が供給する電流は以下の通りです。

ここで、

• R_a = 電機子回路抵抗
• E = 誘導起電力
• V = 母線電圧

新しい発電機の誘導起電力は界磁を制御することで調整できます。誘導起電力を制御することで、負荷分担を制御できます。

直流複巻発電機の並列運転

2台の複巻発電機を並列接続した接続図を以下に示します。

複巻発電機は電圧上昇特性を持ちます。したがって、補正装置なしでは、直流複巻発電機の並列運転は不安定です。起動時、各発電機は同等の負荷分担をします。何らかの理由で発電機1を流れる直巻界磁電流が増加すると、その界磁がさらに強化されます。これにより誘導起電力が上昇し、より多くの負荷を引き受けます。

この運転では負荷が一定と仮定します。したがって、発電機2の負荷分担は減少し、その直巻界磁が弱まります。これにより負荷がさらに減少します。この効果は累積的であり、しばらくすると発電機1が全負荷を引き受け、発電機2は電動機として動作します。この状態では、いずれかの発電機の遮断器がトリップし、運転が停止します。

この運転を安定させるには、補正装置をシステムに使用する必要があります。この並列運転では、直巻界磁巻線の電機子側端子にイコライザバーが接続されます。イコライザバーは低抵抗導体であり、過複巻および水平複巻発電機の運転を安定させるために使用されます。

例えば、発電機1がより多くの負荷分担を始め、その直巻界磁電流が増加したとします。この増加した電流は発電機1の直巻界磁巻線を流れ、一部は発電機2の直巻界磁巻線を流れます。したがって、両発電機は同じ影響を受けます。このようにして、発電機1が全負荷を独占せず、発電機2が全負荷を放棄することを防止します。

適切な並列運転と均等な負荷分担を維持するには、両発電機の電圧調整率が同一であり、直巻界磁抵抗が発電機定格に反比例している必要があります。

直流直巻発電機の並列運転

2台の直流直巻発電機の並列運転接続図を以下に示します。

ここでは、両発電機が同一で同等の負荷分担をすると仮定します。しかし、何らかの理由で発電機1の誘導起電力が増加した場合（E1 > E2）、発電機電流I1がI2より大きくなります。これにより発電機1の直巻界磁が強化され、発電機2の直巻界磁が弱まります。

これは累積的なプロセスです。最終的に、全負荷が発電機1によって引き受けられ、発電機2は電動機として動作します。複巻電動機と同様、この問題はイコライザバーを使用することで解決され、2台の機械が負荷にほぼ等しい電流を供給するようになります。

直流発電機の負荷分担

直流分巻発電機はわずかな垂下特性を持つため、安定した並列運転に最も適しています。一方の発電機がより多くまたはより少ない負荷を引き受けた場合、元の負荷分配に復帰する傾向があるため、両発電機は即座に適切な負荷分担を行います。

故障時には、一方の発電機が運転停止し、その界磁が弱まります。この条件下では、もう一方の発電機の直巻界磁が増強されます。こうして遮断器が開放し、故障発電機がシステムから切り離されます。この発電機の切り離しと接続の方法により、システムが信頼性の高いものとなり、原動機およびシステムへの衝撃と急激な擾乱を防止するのに役立ちます。

分巻発電機の電圧特性は以下の通りです。

上記特性から、同一端子電圧Vにおいて、発電機1はI1電流を、発電機2はI2電流を供給します。発電機1の方が垂下特性が大きく、より少ない電流を供給します。両発電機の特性が類似し、無負荷から全負荷までの電圧降下が同一であれば、すべての点で負荷を均等に分担します。

異なるkVA定格の2台の発電機を並列接続する場合、負荷はそれぞれの定格に応じて分担されます。それらの外部特性をパーセント全負荷電流でプロットすると、以下の図のように同一でなければなりません。

例えば、100 kVAの発電機と200 kVAの発電機を並列接続し、240 kWの負荷を供給する場合、第1発電機は80 kW、第2発電機は160 kWを分担します。

各発電機の個別特性がわかれば、合成運転特性を描くことができます。各発電機が供給する電流は以下の図で求められます。

発電機の特性が直線であれば、上記の結果はグラフィカルな表現ではなく簡単な計算で求められます。ここでは、無負荷電圧が不等しい場合の負荷分担部分を計算します。

• E₁, E₂ = 2台の発電機の無負荷電圧
• R₂, R₂ = 電機子抵抗
• V = 共通端子電圧

上式から、Φ₂またはN₂を増やすか、N₁またはΦ₁を減らすことで、母線電圧を一定に保てることがわかります。N₂とN₁は駆動エンジンの回転数を変えることで変更し、Φ₁とΦ₂は分巻界磁抵抗を制御することで調整できます。