自家発電機設置でアドバイスをお願いします

質問

東日本大震災を受けて、私が働いている工場でも非常用として自家発電機（タービン）を導入することになりました。

しかしながらペーパー電験３種のために、
導入にあたって発電機メーカーの方と話をしたり、発電機を選定しようとしても、
意味が良く分らないことばかりです。

皆様のお知恵をお借りできないかと思い、質問させていただきます。

１）タービン発電機は同期発電機と考えて良いのでしょうか。

２）発電設備を単独運転した場合、進み力率となると電圧制御が利かなくなるので、遅れ力率でなければならない、とはどういう意味でしょうか。同期発電機の安定度と関係ありますか？

→「発電機運転時は自動力率制御装置により進相コンデンサーが投入されても力率が進みにならない様に力率の設定を遅れ０．８５程度にする必要があります」
との業者様からの回答を得ましたが意味がイマイチ分りません。
それと、「同期発電機は進相運転が良い」と書いてある書籍があり、反する内容で戸惑っています。

３）またVCSを追設し自動力率制御装置（APFC)のコントロールが入るように改造が必要ですと言われ、その必要性は「なんとなく分った」のですが、何故必要なのかが理論的に分っていません。

「発電」はとても難しい事だと最近感じております。
メーカーからの説明だけで理解するのではなく、自分で理解して発電設備を選定したく、質問させていただきました。

よろしくお願いします。

回答No.1

ninoue

1) タービン発電機等の通常の発電機は同期発電機です。
　非同期発電機は構造が簡単で、特別な速度制御、出力制御等が不必要な場合に使われ、風力発電機や小水力発電機等に使われています。
構造は誘導電動機と同じで、外部駆動力で同期速度以上で運転されると発電する事になります。
(系統電力が失われた場合の単独運転も可能とする為には、電圧や周波数の制御を行う等が必要な筈ですが、それらの詳細については知っていません)

2) 発電設備の単独運転の場合
　負荷側の要求する力率の出力で運転する事になります。
　進み力率の負荷の場合も電圧制御は可能な筈です。
　通常の負荷はヒーターや白熱電灯等の100%力率負荷や誘導電動機やエアコン等の遅れ力率負荷が一般的です。

>→「発電機運転時は自動力率制御装置により進相コンデンサーが投入されても力率が進みにならない様に力率の設定を遅れ０．８５程度にする必要があります」

進相コンデンサーを使うのであれば、遅れ力率の無効電力を進相コンデンサー側で分担して、発電機の分担する無効電力を少なくし、結果的に発電機電流を少なくして発電機銅損を少なくして発電機効率を良くする様に運転します。

特定の発電機出力:Pに対する発電機電流は発電機の力率に逆比例します。
発電機銅損は発電機出力電流の二乗に比例するので、力率が高くなれば発電機効率も高くなります。
P=√3VIcosφ, Pr_loss=3RI^2

遅れ０．８５程度に設定するのであれば、誘導電動機等の通常負荷での力率がその前後程度なので、高価な進相コンデンサーを設置する効果が少なくなるのではないでしょうか。
(小容量機では力率は低くなりますが、それらの場合進相コンデンサーを設けた場合の効果も低くなります)

http://aqsera.tmeic.co.jp/ecat/doc/applicationj.pdf
8.力率の改善方法

>「同期発電機は進相運転が良い」
自家発電単独運転や系統連携時の運転等色々な運転状態があり、一般的に進相運転が良いと言った事はありません。

負荷電力の力率や進相コンデンサを含めた発電機効率、長距離送電の場合の送電線やケーブルのキャパシティ効果等を考慮してシステム的に考えるべき問題であり、進相運転が良い場合は少ないのではと考えられます。

発電機の制御装置として普通に電圧制御は付いているので、負荷変動や力率変動の比較的に少ないシステムではそれでカバー出来る場合が大部分ではとも考えられます。
これらのケースでは進相コンデンサの容量制御はマニュアル投入/遮断が出来れば十分では?
具体的には自家発担当者の回答を御願いします。

(タービンや発電機のコストが大部分を占めているので、追加コストが余り問題にならなければ力率制御装置を設置する方が良いとは思いますが)

発電機の力率制御については例えば次のようにサーチして調べて下さい。
自家発電装置 力率制御 特長 OR 特徴　解説
==>
http://www16.plala.or.jp/kuramoti/
http://www16.plala.or.jp/kuramoti/index.html
自家用火力発電所におけるタービン発電機の運転と制御、その原理
電力系統の電圧と周波数はどう決まるかを考える

その他次のサイト等が参考になると思われます。
http://www.jeea.or.jp/course/
音声付き電気技術解説講座

お礼

ninoueさん、回答ありがとうございます。

１）同期発電機と考えて良いとの事で、これで発電機の特徴について調べて行く事ができます。ありがとうございます。

２）進みであっても、電圧制御が可能とのこと。
　となると、メーカーの方が話していた『単独運転時の電圧制御が効かなくなる』という話はもう少し調べる必要があるということですね。

>>進相コンデンサの容量制御はマニュアル投入/遮断が出来れば十分では?

メーカーからも同じ事を言われています。しかし、負荷の急変が良くあり、また非常時であるので進相コンデンサを手動投入するなどの手間はなるべく省きたく、自動力率制御装置（APFC)は入れる方向のようです。

ここで一つ確認したいのですが、
進相コンデンサは非常用発電機を用いている時は、メリットが薄い、力率を進み方向に持っていくので更に悪い、なので、むしろ遮断して使用したほうが良いとの認識でよろしいでしょうか。
非常用発電機を使用している場合は、力率制御を気にしても仕方ないということなのかな？と思いました。

ninoueさんの回答をもとに、メーカー様からの返答の内容などを読み解いています。
時間はかかっていますが、少しずつ前進しております。

ありがとうございました