第一種電工 令和2年度 問17｜電気工事の施工方法

タービン発電機は、火力発電所などで蒸気タービン（またはガスタービン）に直結して回す発電機。タービンは高速で回るので、発電機も1分間に数千回という高速で回る。高速で回すと回転子に大きな遠心力がかかるため、回転子は細長い円筒形にし、軸を横に寝かせた横軸形にする。エの「縦軸形が採用される」は誤りで、縦軸形が多いのは水車で回す水車発電機のほう。ア・イ・ウは正しい。正答はエ。

タービン発電機と水車発電機の違いを問う問題（正答エ）。

・ア（正しい）：タービン発電機は、ボイラなどで作った高温高圧の蒸気（ガスタービンでは燃焼ガス）でタービンを回し、その力で発電機を回す。

・イ（正しい）：同期発電機の回転速度は N ＝ 120f／p［min⁻¹］（f：周波数、p：極数）で決まる。タービン発電機は2極（または4極）が多く、50Hzの2極なら 120×50／2 ＝ 3000min⁻¹ と高速。水車発電機は水車の速度に合わせて極数を多くするので、回転速度は小さい。

・ウ（正しい）：高速で回る回転子には大きな遠心力がかかるため、磁極が突き出ていない円筒形の回転子（非突極形・円筒回転界磁形）を使う。水車発電機は低速で極数が多いので、磁極が突き出た突極形を使う。

・エ（誤り・正答）：タービン発電機の回転子は直径が小さく軸方向に長い形で、タービンと同じく横軸形（軸を水平にした形）にする。縦軸形（立軸形）は水車発電機に多い。

【回転速度と極数】同期発電機は、回転子の磁極が1回転するごとに極対数（p／2）回の交流を発生するので、周波数 f と回転速度 N［min⁻¹］の間に N ＝ 120f／p の関係がある。

・タービン発電機：蒸気タービンは高速で回るほど効率がよいので、極数を少なくして高速にする。50Hzで2極なら3000min⁻¹、60Hzで2極なら3600min⁻¹。

・水車発電機：水車の適した回転速度は落差や流量で決まり、タービンよりずっと遅い。同じ周波数を出すために極数を多くする（例：50Hzで回転速度を300min⁻¹にするなら p ＝ 120×50／300 ＝ 20極）。

【回転子の形と軸の向き】

・タービン発電機：遠心力に耐えるため、回転子の直径を小さくして軸方向に長くした円筒形（非突極形）にし、界磁巻線は回転子の溝に埋め込む。細長い回転子とタービンを一直線につなぐため、横軸形にする。

・水車発電機：極数が多いので回転子の直径が大きく、磁極が外に突き出た突極形になる。大形のものは水車の真上に発電機を置く縦軸形（立軸形）が多い。

【その他の特徴】タービン発電機は回転子が細長く冷却が難しいため、大容量機では冷却効果の高い水素ガスで内部を冷やす方式が使われる。試験では「タービン＝高速・少ない極・円筒形・横軸」「水車＝低速・多い極・突極形・縦軸が多い」の対比で判断できる。