交流発電機・直流発電機とは? 三相交流とは?

発電機

電磁誘導を応用して、機械エネルギーを
電気エネルギーにかえるものを発電機と言います。
工場や家庭で使われる電気の大部分は、この発電機で起こされます。

発電機には、発電する電気の種類から
交流発電機と直流発電機にわけられます。




交流発電機

発電機は、磁界をつくるための界磁(磁界をつくる部分)と
コイルにあたる電機子からできています。

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いま、A図の位置に磁石があるとき
電機子コイル内に磁力線が4本できたとします。

磁石を回転させると、B図の位置では磁力線が2本になり
さらに、C図の位置では磁力線はなくなります。

続いてD図の位置まで磁石を回転させると、磁力線の数は
ふたたび4本になりますが、A図とは磁力線の方向が反対になります。

このように磁石の位置で電機子コイル内の磁力線の数がかわります。
これをグラフにあらわしたのがグラフAです。

交流発電機では、界磁を一定の速度で
ぐるぐるまわすしくみになっていますから
電機子内の磁力線の数は、時間とともにグラフBのようにかわります。

いっぽう、電磁誘導の原理から、コイルにできる電圧は
コイル内の磁力線の変化が大きいほど大きくなるので
電圧の変化は、グラフCのようになります。

グラフCでは、電圧の大きさがある方向(ここでは+の方向)の
大きな値から、時間とともに0になり、つぎに-の方向の値となり
ふたたび0になって、これを繰り返すことをしめしています。

このように、電圧の向きが時間とともに
規則正しくかわる電気を、交流電気と言います。
そして、交流電気をつくる発電機を、交流発電機と言います。

実際に使われている大きな発電機では界磁には電磁石を使っていますが、
これは永久磁石ではだんだん力が弱くなりますし
また、界磁の強さをかえて電圧を変化させたいときがあるからです。

直流発電機

交流発電機によってつくられた電圧の変化は
グラフDのように直すことができます。
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つまり、一方向の電圧を、+の方向にかえたわけです。
こうすれば、でこぼこはありますが、電圧の方向はいつも+です。
このでこぼこを小さくすれば、直流の電気がえられます。

直流発電機のしくみは、交流発電機と反対に
界磁が止まっていて、その中を電機子が回転するようになっています。

そして、電機子コイルは、半円周の金属板につながり
止まっているブラシが、これをこするようになっています。

いま、A図では、金属板aにはブラシbが
金属板a’にはブラシB’がつながっています。

電機子が回転して、B図のようになると
金属板a’にはブラシbが、金属板aにはブラシb’がつながります。

つまり、金属板aとa’の間には
電機子コイルと同じ交流の電圧があらわれますが
ブラシbとb’の間には、Dのような直流電圧(脈流)があらわれます。

実際の自流発電機では、数百個も金属板を使って
電機子コイルとたくみにつなぎ、電圧のでこぼこを少なくして
なめらかな直流がえられるように、工夫しています。

模型用の電動機は、直流発電機としくみが似ていて
直流発電機の図と同じようなしくみのものもあるし
金属板が3個のものもあります。

この金属板は、交流を直流に直すはたらきをするので整流子と言います。



三相交流

私たちの家庭に送られてくる電気の電線は
みな2本ですが工場に送られてくる高圧線の送電線は
みな3本で1組みになっています。

これは三相交流と言って、下の図のようなしくみの
発電機から取り出した電気を、送っているからです。

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三相交流では、3本の電線に流れる電流の変化が
図のA・B・Cのように、時間とともに規則正しくずれています。

3本の電線の電流は、どの時間をとっても+のものがあれば
必ず-のものがあり、その合計はいつも0になります。

つまり、三相交流では、3本の電線で3種類の交流電気を送り
帰り道を共通にすれば、帰り道には電線がいらないことになります。

ふつうの交流電気を3種類送るのに必要な6本の伝染にくらべて
半分の3本ですむわけです。

さて、三相交流を使うと交流電動機などに
使われている回転磁界をつくることができます。

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三相交流電流IA・IB・ICを、コイルA・B・Cに流すとします。
すると、Aコイルの電流IAは、図のt1という時間に正の最大値となり
Aの位置にN極を生じます。

時間がt2になると、こんどはIBが正の最大値となりますから
Bコイルの位置にN極ができます。

つぎに時間t3になると、Cの位置にN極ができます。
時間t4では、IAがふたたび正の最大値となって
Aの位置にN極がもどってきます。

このように三相交流を使えば実際に磁石を動かさなくても
ちょうど磁石を回転させたときと同じような
磁界をつくることができます。

これを、回転磁界と言います。







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