電験三種 機械 問23：電気機器（同期機）

電験三種「機械」の「電気機器（同期機）」からの出題（令和7年度下期 問5）。正答は(3)です。

同期発電機の並行運転（系統連系）の条件の問題。並行運転の4条件：(1)電圧の大きさが等しい、(2)周波数が等しい、(3)位相が等しい（電圧位相の一致）、(4)相回転（相順）が等しい。

各条件が満たされない場合の影響と、同期化電流・同期化トルクの発生について正確に説明できる選択肢が正答。

【電気機器（同期発電機の並行運転）の解法】（令和7年度下期 問5）

【並行運転の4条件】

(1) 電圧の大きさが等しい: 違反→無効循環電流（系統間の無効電力交換）

(2) 周波数が等しい: 違反→うなり（拍動）→並入不可

(3) 位相が等しい: 違反→同期化電流（有効電力を交換する電流）が流れる

(4) 相回転（相順）が等しい: 違反→大きな循環電流→重大故障

【同期並入操作手順】

①回転速度を系統周波数に一致させる（ガバナ調整）

②発電機電圧を系統電圧に一致させる（界磁電流調整）

③位相が一致した瞬間（同期点灯消灯法・同期検定器使用）に遮断器を投入

【並行運転後の出力調整】

有効電力: ガバナ（燃料・蒸気量）で調整→周波数維持

無効電力: 界磁電流（AVR）で調整→電圧維持

【正答(3)の根拠】

並行運転条件を正確に記述した選択肢が(3)。

【電気機器（同期発電機の並行運転・安定度）の深層解析】（令和7年度下期 問5）

【正答(3)の根拠：同期機の並行運転理論】

【同期発電機の並行運転時の相互作用】

2台の同期発電機が並行運転中（端子電圧V_b共通、E₁, E₂は各発電機の内部起電力）:

循環電流: I_c = (E₁ - E₂)/(Z₁ + Z₂)

E₁ > E₂（電圧大きさの差）→無効電力循環（電圧が大きい方が進み界磁状態→無効電力を供給）

δ₁ > δ₂（位相差）→有効電力の移動（位相が進んでいる発電機が有効電力を系統に多く送る）

【同期化力（同期回復トルク）】

δ（負荷角）が変化したとき、同期機が同期速度に戻ろうとする力。

P = (EV/Xs)×sinδ → dP/dδ = (EV/Xs)×cosδ（同期化係数Ks）

δ<90°: Ks>0（正の同期化力→安定）

δ>90°: Ks<0（負の同期化力→不安定→脱調）

【電力系統での安定度の種類】

(1) 定態安定度: 定常状態からの微小変化に対する安定性（δ<90°が条件）

(2) 暫態安定度: 大きな外乱（送電線事故・負荷急変）後の安定性

等面積法: 故障前・故障中・回復後のP-δ曲線で加速エネルギーと減速エネルギーの面積比較

【電力系統安定化装置（PSS: Power System Stabilizer）】

発電機のAVRにPSS機能を付加し、電力系統の低周波振動（0.1〜2Hz）を減衰させる。

低周波振動: 発電機の慣性モーメントJと送電線インピーダンスによる「ロータスウィング」。

【インバータ型発電（太陽光・蓄電池）と同期機の違い】

従来の同期発電機: 回転慣性Jを持つ→周波数変動に自動的に応答（定慣性特性）

インバータ型: 慣性なし→グリッドフォーミング（GFM）制御で仮想慣性を付加する必要（最新課題）

【電験二種・実務への接続】

電験二種: 同期機の安定度向上策（速応励磁・高速遮断器・PSS・制動巻線）

実務: 発電機の系統並入手順書作成、AVR/ガバナの整定値調整