同期 (交流)

交流（AC）電力系統において、同期（どうき、）とは、電力を伝送するために、発電機などの電源の周波数、位相、電圧を系統に一致させるプロセスのことである。系統内の接続されていない2つのセグメントを互いに接続する場合、それらが同期されるまでは交流電力を安全に交換することはできない。

直流（DC）発電機は、回転速度または界磁励磁を調整して無負荷端子電圧をネットワークの電圧に合わせるだけで、電力ネットワークに接続できる。正確なエンジン速度は重要ではない。しかし、交流発電機の場合は、ネットワーク電圧に対してタイミング（周波数と位相）も一致させる必要があり、同期のために速度と励磁の両方を体系的に制御する必要がある。この複雑さは、1880年代の電流戦争において交流方式に反対する論拠の一つとなった。現代の電力網では、発電機の同期は自動システムによって行われている。

 条件 
同期プロセスが行われる前に満たさなければならない条件が5つある。電源（発電機またはサブネットワーク）は、同期対象のシステムに対して、等しい実効電圧、周波数、相順、位相角、および波形を持たなければならない。Soft synchronization of dispersed generators to micro grids for smart grid applications

波形と相順は、発電機の構造およびシステムへの接続方法によって固定される。発電機の設置時には、発電機の端子とすべての制御配線が正しく、位相の順序（相順）がシステムと一致していることを確認するために注意深いチェックが行われる。誤った相順で発電機を接続すると、システム電圧と発電機端子電圧が逆向きになるため、大きな電流が流れ、機器を損傷させる可能性がある。Terrell Croft and Wilford Summers (ed), American Electricans' Handbook, Eleventh Edition, McGraw Hill, New York (1987)  pages 7-45 through 7-49

電圧、周波数、および位相角は、発電機を電力網に接続するたびに制御する必要がある。

電力網に接続される発電ユニットには固有の速度調定率があり、定格に比例して負荷を分担することができる。一部の発電ユニット、特に孤立したシステムでは、負荷に関係なく一定のシステム周波数を維持するアイソクロナス制御で運転される。

 プロセス 
手動同期と自動同期のどちらも、一連の手順は同様である。まず、蒸気タービンのバルブを開く、水車のゲートを開く、またはディーゼルエンジンの燃料ラック設定を上げるなどして、シャフトにより多くのエネルギーを供給し、発電機を同期速度付近まで加速させる。次に、発電機の界磁を励磁し、発電機端子の電圧を観測してシステムと比較する。電圧の大きさはシステム電圧と同じでなければならない。

1台の機械の位相がわずかにずれている場合は他の機械と引き込み現象によって同期するが、位相差が大きい場合は激しい横流が発生し、電圧変動を引き起こしたり、極端な場合には機械を損傷させたりすることがある。

 同期検定灯 
かつては、3個の白熱電球を発電機端子とシステム端子の間（より一般的には、発電機とシステムに接続された計器用変成器の端子間）に接続していた。発電機の速度が変化すると、発電機周波数とシステム周波数の差に比例した拍動周波数でライトが点滅する。発電機の電圧がシステム電圧と逆（位相が先行または遅滞している状態）になると、ランプは明るくなる。発電機の電圧がシステム電圧と一致すると、ライトは消灯する。その瞬間に、発電機をシステムに接続する遮断器を閉じれば、発電機はシステムとの同期を維持する。Donald G. Fink and H. Wayne Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition, McGraw-Hill, New York, 1978,  pp. 3-64,3-65

別の手法として、上記と同様の構成を用いるが、発電機端子またはシステム端子のいずれかで2つのランプの接続を入れ替える方法がある。この構成では、発電機がシステムと同期しているとき、1つのランプは消灯するが、接続を入れ替えた2つのランプは等しい明るさで点灯する。「点灯」方式よりも「消灯」方式で同期を確認する方が、最低輝度を判別しやすいため好まれた。しかし、ランプの断線が同期成功の誤検知を招く可能性があった。

 消灯法 
発電機の準備を整え、励磁と駆動を行うが、スイッチは開いたままにしておく。開いた端子の間にランプまたは電圧計を接続する。ランプまたは電圧計の抵抗値は一致していなければならない。発電機が停止している間は、系統の端子電圧がランプ（または電圧計）および発電機の電機子巻線を通じて閉回路を形成するため、ランプはかすかに点灯し、電圧計は小さな振れを示す。発電機を始動すると、電機子に誘起電圧が発生し、これがランプや電圧計を介して系統電圧に重畳される。2つの電圧（系統と発電機）の周波数と実効値は通常すぐには一致しないため、その合成電圧はうなりを生じる。ランプには常にその瞬間の符号を含めた合成電圧がかかるため、ランプは差の周波数で明滅（フリッカ）する。系統と発電機の同期が成立、つまり周波数が等しく、電圧が持続的に同じ大きさ・方向になったとき、ランプは持続的に消灯する。中・高圧系統では同期検定灯を直接使用できないため、計器用変成器を使用し、その二次側にランプを接続する。

 点灯法 
単相機では点灯法も広く普及している。この場合、ランプの完全な点灯が同期状態を示す。この接続法は多相機には使用できない。なぜなら、多相機では電圧、周波数、相順が一致していても、電圧間に大きな（例：90度）位相差がある場合でも持続的な点灯が起こり得るためである。

 ランプの混合接続 

三相機の同期において、ランプの混合接続（回転法）は非常に一般的である。この方法では、1つのランプを消灯法として、残りの2つを点灯法として接続する。同期状態では、消灯法接続のランプは消灯し続け、点灯法接続の2つのランプは点灯し続ける。ランプの配置が系統の相順と一致しており、正六角形の頂点または円周上に時計回りに配置されている場合、ランプの数を増やすこともできる。正しく接続されている場合、同期時には特定のランプ（消灯法接続）が消灯し、他が点灯する。同期から外れている場合、回転現象が見られる。発電機の回転が遅すぎる場合は反時計回りに、速すぎる場合は時計回りに光が回転するように見える。もし2つ以上のランプ（またはすべてのランプ）が周期的に一斉に消灯・点灯を繰り返す場合は、発電機の回転方向が系統の相順と一致していない。
同様の原理で、ランプの代わりに抵抗を介したLEDを使用することもできる。この場合、各LEDを逆並列に接続することで整流の必要をなくす。LEDの接続は、3つごとのLEDのうち1つを消灯法、2つを点灯法にする。例えば12個のLEDのうち4個が消灯し、8個が点灯する。同期がずれると消灯していたLEDが点灯し、隣のLEDが消灯することで、光が「回転」しているように見える。
同期検定灯のほかに、電圧計（「零電圧計」）や同期検定器も通常併用される。2つの周波数を監視するために、一般にダブル周波数計が設置される。

 パネル取付型同期ユニットによる同期 
計器には電圧計が内蔵されており、発電機の電圧を表示する。内蔵された指針型周波数計は発電機の周波数を示す。この周波数計のスケールはDIN規格とは異なり、より精密な読み取りが可能である（分解能0.2 Hz）。同期検定器の代わりに12個のLEDで構成されたユニットが内蔵されている。さらに、零電圧計も組み込まれており、これは二重の過負荷に耐え、ゼロ付近の振れが最大になるように設定されている。これにより2つの系統間の電圧差が表示される。発電機の励磁を開始すると、すぐに電圧と周波数を確認できる。通常、最初は同期状態ではないため、LEDは前述のように「回転」し、零電圧計は差の周波数に応じて「うなり」のように振れる。適切に発電機の電圧と周波数を調整していくと、同期状態に近づくにつれてLEDの回転が遅くなり、零電圧計の振れもゼロに近づいていく。同期状態に達するとLEDの回転が止まり、零電圧計の振れも消失する。このとき、発電機を系統に投入することができる。

 同期検定器 

もう一つの手動同期法は、「同期検定器（シンクロスコープ）」と呼ばれる計器を観察することに依存している。これはシステムと発電機の相対的な周波数を表示するものである。同期検定器の指針は、システムに対する発電機の速度が「速い（FAST）」か「遅い（SLOW）」かを示す。発電機の遮断器を閉じる際の過渡電流を最小限にするため、通常は指針がゆっくりと同期点（真上）に近づくときに投入操作を開始するのが一般的である。システムと発電機の間に数電気角の誤差があると、瞬間的な突入電流と発電機の急激な速度変化が生じる。

 同期検定継電器 
同期検定継電器（リレー）を使用すると、無人で機械をシステムに同期させることができる。今日ではこれらはデジタルマイクロプロセッサ計器であるが、かつては電気機械式のリレーシステムが適用されていた。同期検定継電器は、プロセスから人間の反応時間を排除するため、あるいは遠隔制御の発電所のように人間がいない場合に有用である。手動操作の可能性や監視用として、自動リレーの補助として同期検定器やランプが設置されることもある。

機械をシステムに非同期で接続することに対する予防措置として、機械がシステムと数電気角以内で一致していない限り発電機の遮断器の閉路を阻止する「同期確証継電器（シンクロチェック・リレー）」が設置されることがある。同期確証継電器は、複数の電源が接続される可能性があり、非同期の電源が誤って並列接続されないことが重要である場所にも適用される。

 同期運転 
発電機が同期している間、システムの周波数は、負荷および系統に接続されたすべての発電ユニットの平均的な特性に応じて変化する。 システム周波数が大きく変化すると、発電機がシステムとの同期から外れることがある。その場合、発電機の保護装置が作動し、自動的に解列（切り離し）が行われる。

 同期速度 
同期電動機および同期発電機の同期速度は、機械の極数と供給周波数によって決まる。

供給周波数f、極数p、および同期速度（回転磁界の速度）nsの関係は次式で与えられる。

以下の表では、周波数をヘルツ（Hz）、回転速度を毎分回転数（rpm）で示している。

 極数 50 Hz での速度 (rpm) 60 Hz での速度 (rpm) 2 3,000 3,600 4 1,500 1,800 6 1,000 1,200 8 750 900 10 600 720 12 500 600 14 429 514 16 375 450 18 333 400 20 300 360 22 273 327 24 250 300 26 231 277 28 214 257 30 200 240

 関連項目 
位相同期
高圧直流送電: 同期していない交流送電システム間での電力伝送を可能にする

 参考文献 

 情報源 

 The Electrical Year Book 1937, published by Emmott and Company Limited, Manchester, England, pp 53–57 and 72

 外部リンク 
 Synchronization to grid of an AC synchronous generator（交流発電機の同期に関するブラウザ上のシミュレーション）

Category:配電