同期調相機

電気工学において、同期調相機（どうきちょうそうき、、別名：syncon、synchronous capacitor、synchronous compensator）とは、出力軸を何にも接続せず、空転状態で運転される直流励磁の同期電動機である。

その主目的は、三相送電網の状態を調整することにある。界磁をで制御することで、系統電圧の調整や力率改善のために、必要に応じて無効電力を発生または吸収することである。装置の設置や運用方法は大型の電動機や発電機と同様であり、一部の発電機は、原動機を切り離して同期調相機として運転できるように設計されている。

 特徴と利点 

この装置の主な利点は、装置の界磁励磁の強弱によって、系統への無効電力（単位はvar）の供給・吸収を連続的にかつ容易に調整できる点にある。

同期調相機は、電力網における力率改善に用いられるコンデンサ群や静止型無効電力補償装置（SVC）の代替手段となる。 

主な利点は以下の通りである。

 電圧低下への耐性: コンデンサ群からの無効電力は系統電圧の低下に伴い減少するが、同期調相機は電圧が低下すると本質的に供給する無効電力が増加する特性を持つ。
 過渡応答: 電力変動や急激な電圧降下に対して高い耐性を持つ。
 連続調整: 無効電力量を段階的ではなく、連続的に微調整できる。

一方で、回転機械であるため、静止型のコンデンサ群と比較してエネルギー損失（回転摩擦や風損など）が大きいという欠点もある。

 規模と冷却 

電力網に接続される同期調相機の多くは、20 MVAR（メガバール）から200 MVAR 程度の定格を持ち、その多くはである。水素濃度を通常 91% 以上に維持することで、爆発の危険を回避しつつ効率的な冷却を行う。 大型の装置では長さ 8メートル、高さ 5メートル、総重量 170トンに達することもある。

 システムの安定化 

同期調相機は、物理的な回転による慣性応答を通じて、電気炉のような負荷の急激な変動時にシステムを安定させる役割を果たす。また、高い短絡容量を持つため、故障時の遮断器の確実な動作を支援する。近年では、太陽光や風力などのインバータベースの電源が増加する中で、減少する系統慣性を補うために、高圧直流送電（HVDC）変換所の近傍などで再評価されている。

 原理 

磁場内にある回転コイルは正弦波電圧を発生させる傾向がある。回路に接続されると、システムの電圧とこの無負荷誘導起電力の差に応じて電流が流れる。機械的トルク（電動機によって発生し、発電機によって要求される）は有効電力のみに対応することに注意が必要だ。無効電力はトルクを発生させない。

同期電動機の機械的負荷が増加すると、界磁励磁に関わらず電機子電流  は増加する。不足励磁および過励磁の電動機ともに、機械的負荷の増加に伴い力率（p.f.）は1（単位力率）に近づく傾向がある。この力率の変化は、負荷増加に伴う  の変化よりも大きい。

電機子電流の位相は界磁励磁によって変化する。電流は、励磁が低い場合と高い場合の両方で大きな値をとる。その中間で、特定の励磁に対応する最小値をとる（右のグラフ参照）。励磁に対する  の変化はその形状から「曲線」として知られている。

同一の機械的負荷において、電機子電流は界磁励磁によって広い範囲で変化し、それに伴い力率も変化する。過励磁の場合、電動機は進み力率（系統に無効電力を供給する）で運転し、不足励磁の場合、遅れ力率（系統から無効電力を吸収する）で運転する。その中間では力率は1となる。最小の電機子電流は、力率1（電圧と電流が同位相）の点に対応する。

同期電動機と同様に、機械の固定子は電圧 （一定と仮定）の三相電源に接続され、これにより機械内に回転磁界が形成される。同様に、回転子は直流電流  で励磁され、電磁石として機能する。通常の運転では、回転子磁石は同期速度で固定子磁界に追従する。回転する電磁石は、あたかも機械が同期発電機であるかのように、固定子巻線に三相電圧（相起電力）  を誘導する。

機械的に切り離された同期機（同期調相機）において、無効電力  は次のように表すことができる。

ここで：
 は端子における相電圧（星形結線）
 は界磁磁束によって誘導される相起電力
 は正相同期リアクタンス
 は固定子電流

この式から明らかなように、無効電力が発生するか吸収されるかは、電圧の差  に応じて決まる。

過励磁 () のとき、無効電力は正となり、機械は無効電力を発生させる。このとき、機械はコンデンサとして振る舞う。
不足励磁 () のとき、無効電力は負となり、機械は無効電力を吸収する。このとき、機械はインダクタンス（インダクタ）として振る舞う。

このようにコンデンサとインダクタンスの両方の役割を果たせることから、同期調相機は同期補償機とも呼ばれる。

機械が機械的、磁気的、または電気的損失のない理想的なものとみなされる場合、その等価回路は固定子の巻線インダクタンス  と直列の交流発電機となる。もし励磁が臨界値に調整されれば、  は  と等しくかつ逆向きになり、固定子電流  はゼロになる。これはV曲線の最小値に対応する。実際の機械では損失があるため、等価回路には機械的および磁気的損失を表す端子と並列の抵抗と、固定子の銅損を表す直列の抵抗が含まれる。したがって、実際の機械では  は小さな同位相成分（有効電力成分）を含み、ゼロにはならない。

 用途 
過励磁の同期電動機は進み力率を持つ。これにより、産業負荷の力率改善に有用となる。変圧器も誘導電動機も、ラインから遅れ（磁化）電流を引く。軽負荷時、誘導電動機によって消費される電力は大きな無効成分を持ち、力率は低い値となる。無効電力を供給するために流れる付加的な電流は、電力システムにさらなる損失を生じさせる。工業工場では、誘導電動機が必要とする無効電力の一部を供給するために同期電動機を使用することができる。これにより工場の力率が改善され、系統から必要とされる無効電流が減少する。

同期調相機は、最大150%の追加無効電力を生成する能力を持ち、無段階の自動力率改善を提供する。このシステムはスイッチング過渡現象を発生させず、システムの電気的高調波の影響を受けない（一部の高調波は同期調相機によって吸収されることさえある）。過度な電圧レベルを生じさせることもなく、電気的共振の影響も受けにくい。同期調相機の回転慣性により、非常に短時間の電圧降下中に限定的な電圧サポートを提供することができる。

回転式の同期調相機は1930年代に導入され、1950年代には一般的だったが、高コストのため、最終的には新規設置において静止型無効電力補償装置（SVC）に取って代わられた。 しかし、高調波がコンデンサの過熱や壊滅的な故障を引き起こすという問題が発生したため、力率改善のためのコンデンサの代替（または補足）手段として残っている。同期調相機は電圧レベルの維持にも有用である。コンデンサ群によって生成される無効電力は端子電圧の2乗に正比例し、システム電圧が低下するとコンデンサは最も必要とされる時に生成する無効電力が少なくなるが、 システム電圧が上昇するとコンデンサはより多くの無効電力を生成し、問題を悪化させる。対照的に、界磁が一定であれば、同期調相機は低電圧に対して自然に多くの無効電力を供給し、高電圧からは多くの無効電力を吸収する。さらに、界磁を制御することも可能である。この無効電力は、大型モーターの始動時や、発電場所から使用場所まで長距離を送電する必要がある場合（特定の地域間での電力融通：など）などの状況において、電圧調整を改善する。

SVCと比較した場合、同期調相機にはいくつかの利点がある：

 回転慣性により、短絡状態でもできる。
 無効電力の供給がライン電圧に依存しない。
 過負荷に対して比較的鈍感であり、通常は容量の110-120%で30分間運転でき、短時間であれば定格無効電力の200%まで供給できる。

同期調相機は「ダイナミック力率改善」システムと呼ばれることもある。これらの機械は、高度な制御が利用される場合に非常に効果的であることが証明されている。力率コントローラと調整器を備えたPLCベースのコントローラにより、システムを所定の力率に合わせるように設定したり、特定の無効電力量を生成するように設定したりすることが可能になる。

電力システムにおいて、同期調相機は長距離送電線の電圧を制御するために使用でき、特に抵抗に対する誘導リアクタンスの比率が比較的高い回線において有効である。Donald Fink, Wayne Beaty (ed) Standard Handbook for Electrical Engineers Eleventh Edition, Mc Graw Hill, 1978, ISBN 0-07-020974-X, page 14-33

専用に製造されたユニットに加え、既存の蒸気タービンや燃焼タービンを同期調相機として使用するために改造（レトロフィット）することも可能である。この状況では、タービンに補助始動用電動機を増設するか、既存の発電機を電気的な始動手段として使用するか、あるいは既存のタービン/燃料源を用いた同期自己切替（SSS）クラッチを取り付けることができる。 始動時のトルクに発電機の軸やカップリングが耐えられないことが多いため、既存の発電機の代わりに専用の始動用電動機を使用することが通常推奨される。純粋に電気的な始動方法を使用する場合、同期調相機は始動用電動機に頼って初期始動を行い、発電機または補助電動機がシステムに無効電力を生成するために必要な回転慣性を提供する。SSSクラッチへの改造では、既存のタービン構成が大幅に再利用される。ここでは、タービンは既存の燃料源を使用して始動し、グリッドに同期する。その時点で、SSSクラッチがタービンと発電機を切り離す。こうして発電機はグリッドのエネルギーを使用して回転を続け、必要に応じて進みまたは遅れの無効電力を提供する。各構成にはそれぞれの利点と欠点がある。電気駆動のみのシステムは旧式タービンからの燃焼を必要としない（古い発電システムは通常、同じ燃料タイプの新しいものよりも多くの排出物を出す）が、燃焼駆動システムは必要に応じて有効電力の発生と無効電力の供給を切り替える能力を持つ。

 ギャラリー 

 関連項目 

 回転変流機
  (STATCOM)
 静止型無効電力補償装置 (SVC)
  (UPFC)

 脚注 

 参考文献 




 外部リンク 

 同期機と同期調相機に関する短期コース（英語）
 解説 ENTSO-Eによる、2025年3月

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