ブラシレス励磁方式
ブラシレス励磁方式は、同期発電機や同期電動機において、界磁巻線へ励磁電流を供給する手法のひとつである。従来の同期機で用いられていた摺動接触部品であるブラシやスリップリングを完全に排除した構造を特徴とする。主に保守性の向上と大容量化への対応を目的として、発電設備において広く採用されている。
ブラシレス励磁方式は、主機となる発電機と同軸上に、交流励磁機と回転整流器を配置して構成される。主機の固定子側に設けられた交流励磁機の固定子に直流電流を流すと、主機と連動して回転する交流励磁機の回転子に交流電圧が発生する。
この交流電圧は、同じく回転軸上に設置された回転整流器によって直流へと変換される。変換された直流電流は、回転軸の内部を通る配線を経由して、主機の回転する界磁巻線へと直接供給される。一連の電力供給がすべて回転軸上とその周辺のみで完結するため、外部からの物理的な接触による給電を必要としない。
実務運用における主な利点
ブラシレス方式の採用により、実際の運用や保守管理において以下のような利点が得られる。
- 保守手間の削減：ブラシの摩耗による炭素粉塵が発生しないため、定期的な清掃や消耗品の交換作業を省略できる。
- 稼働率の向上：摺動部分の接触不良や摩擦熱に起因する突発的な停止事故を防ぎ、長期間の連続運転を実現する。
- 大容量化への対応：大電流を物理的な接触なしに供給できるため、火力発電所などで用いられる大型のタービン発電機に適用しやすい。
特に大容量の同期機では、界磁電流も膨大な値となる。これをブラシとスリップリングで供給しようとすると、多数のブラシを並べる必要があり構造が複雑化するが、ブラシレス方式であればこの問題を根本的に解決できる。
構造上の制約と遠心力への対策
優れた特性を持つ一方で、構造上の制約も存在する。主機と同じ回転軸の延長線上に交流励磁機や回転整流器の集合体を配置するため、発電機全体の軸方向の寸法が長くなる傾向がある。限られた設置空間に導入する際には、建屋の寸法や搬入経路に余裕を持たせる設計が求められる。
また、回転整流器にはシリコンダイオードなどを組み合わせたブリッジ回路が用いられる。これらは発電機の回転に伴う強大な遠心力に耐えられるよう、特殊な補強が施されている。万が一、回転中のダイオード素子が破損した場合でも発電を安全に継続できるよう、整流器の回路構成にはあらかじめ冗長性を持たせた設計が採用されるのが標準的である。
地絡検出と電圧制御における課題
整流回路と界磁回路がすべて高速で回転する軸の上に構築されているため、運転中に界磁回路の電圧や電流を外部から直接測定することが困難である。回転部の絶縁が劣化して地絡事故が発生した場合でも、固定子側からその異常を即座に検知するのが難しいため、専用の地絡検出装置を組み込むなどの工夫が必要となる。
同期発電機の出力電圧を一定に保つための自動電圧調整器の動作においても特性の違いが現れる。ブラシレス励磁方式では、交流励磁機の界磁電流を操作することで、間接的に主機の界磁電流を調整する。そのため、主機の界磁を直接制御する方式と比較して、制御の応答速度がわずかに遅れるという特性がある。近年の制御装置はデジタル化によって高い応答性を確保しているが、電力系統の過渡安定度を評価する際には、この励磁系の応答遅れを考慮した解析が行われている。
