直流発電機の種類と特性を比較解説｜他励・分巻・直巻・複巻【電験三種 機械】

まずは「外部特性」って何なのか、しっかり押さえとこか。

発電機は負荷に電力を供給するために使うもんやろ？でもな、負荷を接続して電流を取り出し始めると、端子電圧 \( V \) が変化するんや。

なんでかっていうと、第11講で学んだ等価回路を思い出してみ。発電機の端子電圧は \( V = E - I_a R_a \) やったな。負荷電流 \( I_L \) が増えると電機子電流 \( I_a \) も増えて、\( I_a R_a \) の電圧降下が大きくなる。せやから端子電圧が下がるんや。

この「負荷電流 \( I_L \) を変えたときに端子電圧 \( V \) がどう変化するか」を表したグラフが外部特性曲線や。横軸に負荷電流 \( I_L \)、縦軸に端子電圧 \( V \) をとるんやな。

ここで大事なポイントがあるで。端子電圧が下がる原因は、\( I_a R_a \) の電圧降下だけちゃうんや。実はもうひとつ、電機子反作用っていう現象が影響するんやけど、これがまた厄介なんや。

ほな次は、電圧が下がる2つの原因を詳しく見ていくで。

ほな、まずは一番シンプルな他励発電機の外部特性から見ていくで。

他励発電機は、界磁電流 \( I_f \) を外部電源から供給してるから、負荷がどう変わっても \( I_f \) は一定や。せやから磁束 \( \Phi \) も基本的に一定になる。

このとき端子電圧の式は：

他励発電機では \( I_a = I_L \) やから（界磁電流は外部電源から流れるので電機子には関係ない）、負荷電流 \( I_L \) が増えると \( I_a R_a \) の降下が大きくなって、端子電圧 \( V \) がほぼ直線的に下がるんや。

でもな、実際にはもうちょっと下がるんや。その原因が電機子反作用。負荷電流が増えると電機子の磁界が界磁の磁界に影響を与えて、主磁束 \( \Phi \) がわずかに減少するんやな。磁束が減ると \( E = k\Phi n \) も減るから、二重に電圧が下がるんや。

他励発電機の外部特性は、無負荷電圧 \( E_0 \) からやや下がる緩やかな右下がりの曲線になるんや。\( R_a \) が小さいので降下は比較的少なく、電圧は割と安定してるのが特徴やで。

他励発電機の外部特性について、もうちょっと深掘りしとこか。

さっき「他励では \( I_a = I_L \) や」って言うたけど、なんでそうなるか分かるか？他励式は界磁電流が外部電源から供給されるから、電機子を流れる電流 \( I_a \) はそのまま負荷へ流れ出る電流 \( I_L \) と等しいんや。界磁電流は電機子回路を通らへんからな。

これが自励式との決定的な違いで、他励式は電流の関係がシンプルなんや。

ほんで、他励発電機のもうひとつの大きな特徴は、界磁電流を独立に調整できることや。負荷が変動しても、外部電源の界磁電流を調整すれば端子電圧を一定に保てるんやな。

せやから、他励発電機は電圧の安定性が高い用途に使われる。工場の精密機器への電力供給とか、実験室での定電圧電源とかやな。

ただし、外部電源が必要っていうデメリットは忘れたらあかんで。外部電源が故障したら磁束がゼロになって、発電できなくなるんや。

ほな、ここまでの理解度を確認してみよか！

ほな、第1問いくで！他励発電機の基本をしっかり確認しよう。

ほな次は、分巻発電機の外部特性を見ていくで。

分巻発電機は、界磁巻線が電機子に並列に接続されてるんやったな。せやから、端子電圧 \( V \) がそのまま界磁巻線にかかって、界磁電流が流れる仕組みや。

ここで大事なんは、分巻発電機の電流の関係式や。

この式、めっちゃ重要やで！他励発電機では \( I_a = I_L \) やったけど、分巻では電機子電流の一部が界磁巻線に分流するから、\( I_a = I_f + I_L \) になるんや。

ほんで、分巻発電機の端子電圧 \( V \) は：

ここまでは他励と似てるように見えるやろ？でもな、分巻発電機には他励にはないもうひとつの電圧降下要因があるんや。

それは何かっていうと、端子電圧が下がると界磁電流も下がるってことなんや！

分巻では \( I_f = \frac{V}{R_f} \) やから、端子電圧 \( V \) が下がると界磁電流 \( I_f \) も減る。界磁電流が減ると磁束 \( \Phi \) が減って、誘導起電力 \( E = k\Phi n \) も減る。Eが減ると端子電圧がさらに下がる...という負のフィードバックが起こるんや。

せやから、分巻発電機の外部特性は他励発電機よりも電圧降下が大きいんや。特に大きな負荷電流を流すと、この負のフィードバックが効いてきて、電圧がグッと下がるで。

ほな、分巻と他励の外部特性を並べて比較してみよか。

さっき説明したように、分巻発電機は他励に比べて電圧降下が大きいんやけど、グラフで見るとその違いがよく分かるで。

グラフを見ると分かるように、無負荷のときは他励も分巻も同じ電圧 \( E_0 \) からスタートするんや。でも負荷を増やしていくと、分巻の方がどんどん電圧が下がっていくのが分かるやろ？

特に注目してほしいのは、分巻の曲線が大電流領域で急激に下がるところや。これは先ほど説明した「負のフィードバック」が効いてる証拠なんや。端子電圧が下がる → 界磁電流が減る → 磁束が減る → さらに端子電圧が下がる...この悪循環が加速するんやな。

極端な場合、分巻発電機を短絡すると、端子電圧がゼロに近づいて界磁電流もほぼゼロになるから、残留磁気分のわずかな電圧しか出えへんようになるんや。これは他励にはない現象やで。

ただし、分巻発電機にも大きなメリットがあるで。それは外部電源が不要ということや。自分自身で発電しながら界磁も維持するから、設備がシンプルになるんやな。定格運転付近では十分に安定した電圧が得られるから、一般的な用途にはよく使われてるで。

ほな、分巻発電機の理解度を確認してみよか！

ほな第2問、分巻発電機の特徴を確認するで！

ほな次は、直巻発電機の特性を見ていくで。これは他励や分巻とは全然違う、ちょっと変わったヤツなんや。

直巻発電機は、界磁巻線が電機子に直列に接続されてるんやったな。ということは：

ここがめっちゃ重要なポイントや。負荷電流がそのまま界磁電流になるんやで！

これが何を意味するか分かるか？負荷電流が増えると界磁電流も増えるから、磁束 \( \Phi \) が増えて、誘導起電力 \( E = k\Phi n \) も増えるんや。つまり、負荷が増えると端子電圧も上がる傾向になる！

ただし、\( V = E - I_a R_a - I_a R_{se} \) やから（\( R_{se} \) は直巻界磁巻線の抵抗）、電流が増えればその分の電圧降下も増える。でも、磁束増加による E の上昇の方が大きいから、全体としては端子電圧が上がるんやな。

ただし、磁気飽和に注意や。磁束はどこまでも増え続けるわけちゃうくて、鉄心が飽和すると磁束の増加が頭打ちになる。すると E の上昇も鈍って、やがて \( I_a(R_a + R_{se}) \) の電圧降下の方が大きくなり、端子電圧は下がり始めるんや。

グラフを見てみ。直巻発電機は無負荷（\( I_L = 0 \)）のとき、ほとんど電圧が出えへんのが特徴や。界磁電流もゼロやから磁束がほぼゼロ（残留磁気分だけ）やねんな。負荷を接続して電流が流れ始めてから、やっと電圧が上がってくるんや。

「端子電圧が負荷によって大きく変動する」ってことは、一定電圧の電源としては使えないっていうことや。せやから、直巻発電機は一般的な電力供給用にはほとんど使われへんのやで。

じゃあ何に使うねん？って思うやろ。直巻発電機が活躍するのは、ブースター（昇圧機）としての用途や。長い配電線の電圧降下を補償するために、直巻発電機を直列に入れて「電流が増えたら自動的に電圧も増やす」という使い方をするんや。負荷電流に比例して電圧が上がる性質を逆手に取るわけやな。

直巻発電機の問題いくで！

ほな次は、複巻発電機の特性を見ていくで。これが直流発電機の中で一番面白い、そして一番実用的なヤツなんや。

第9講で学んだように、複巻機は分巻界磁巻線と直巻界磁巻線の両方を持ってるんやったな。つまり、分巻と直巻のいいとこ取りができるんや。

ここで大事なのは、2つの界磁巻線が作る磁束の向きや。向きが同じ場合と反対の場合で、全く違う特性になるんやで。

「和動」は「和（わ）＝足し算」やから、2つの磁束を足し合わせるんや。一方「差動」は「差（さ）＝引き算」やから、2つの磁束が打ち消し合うんやな。

ほな、和動複巻から詳しく見ていこか。和動複巻では、負荷電流 \( I_L \) が増えると直巻界磁の磁束が増加するやろ？この増加分が、分巻発電機で起こる「電圧降下」をちょうど補償するように設計できるんや。

つまり、負荷が増えても端子電圧をほぼ一定に保てるのが和動複巻の最大のメリットなんや！

ほな、和動複巻の外部特性をもうちょっと詳しく見てみよか。

和動複巻発電機の直巻界磁巻線の巻数を調整することで、電圧補償の度合いを変えられるんや。この巻数の調整具合で3つのパターンに分かれるで。

中でも実用的に一番重要なのは平複巻や。負荷をかけても端子電圧がほぼ一定に保たれるから、定電圧電源として理想的なんや。

過複巻は、長い送電線の電圧降下を見越して「ちょっと高めに出す」場合に使われることがあるで。送電線の損失分を上乗せして、受電側で丁度良い電圧になるようにするんやな。

一方、差動複巻は負荷が増えると電圧が急激に下がるから、電圧源としてはほとんど使われへん。ただし、溶接機など特殊な用途で「電流が増えると電圧が下がる」垂下特性が必要な場合に使われることがあるで。

このグラフ、電験三種で超重要やで！各発電機の特性曲線の形を覚えとくだけで、かなりの問題が解けるようになるんや。

特に覚えてほしいポイントは：

・平複巻が最も定電圧に近い（ほぼ水平）

・他励は緩やかな右下がり

・分巻は他励より大きく下がる

・直巻は0から上昇して飽和後に下がる独特の形

ほな、複巻発電機の理解度をチェックするで！

第4問、複巻発電機の問題や！

ここまでの知識を使って、各種発電機を比較する問題を解いてみよか！

ここまでで各発電機の特性は一通り学んだな。ほな、電験三種でどう出題されるかを押さえておこか。

電験三種の機械科目では、各種発電機の特性に関する問題はかなり頻出や。特に多いパターンは以下の3つやで。

パターン1については、さっきのグラフの形を覚えておけば大丈夫や。特に「直巻は0から上昇」「平複巻はほぼ水平」「分巻は他励より大きく下がる」この3つの特徴を押さえておけば間違えへんで。

パターン2では、各発電機の電流の関係式がよく問われるんや。整理しておくで。

パターン3の計算問題は、基本式 \( V = E - I_a R_a \) をベースに、各方式の電流の関係を代入して解くんや。特に分巻では \( I_a = I_f + I_L \) を忘れがちやから注意やで。

ここで、初学者がよくやる間違いをまとめとくで。これを知っておくだけで、ケアレスミスをだいぶ防げるんや。

あと、もう一つ補足しとくと、分巻発電機を短絡（\( V = 0 \)）しても大電流は流れにくいんや。なんでかっていうと、\( V = 0 \) になると \( I_f = 0 \) になって磁束がなくなり、E もほぼゼロになるからや。これは他励とは対照的で、他励では短絡しても外部電源から界磁電流が供給されるから、大きな短絡電流が流れてしまうんやな。

この「分巻の短絡電流が小さい」という性質は、一種の自己保護作用と考えることもできるで。ただし、これはメリットというよりは、不安定な挙動の裏返しやということも理解しておいてな。

ほな、後半の問題に挑戦していこか！

ほな、電験レベルの実践問題いくで！

ほな第7問、各発電機の用途に関する総合問題いくで！

ラストの第8問は計算問題や！ここまで頑張ってきた成果を見せてくれ！

お疲れさん！第12講の内容を総まとめするで！

今回は、各種直流発電機の外部特性（V-I_L特性）を学んだな。励磁方式の違いによって端子電圧の振る舞いがこれだけ変わるってこと、しっかり理解できたやろ？

次回の第13講では、「電圧変動率」について学ぶで。無負荷電圧と定格電圧の差がどれくらいあるかを数値で表す方法や。今回学んだ外部特性をベースに、各発電機の電圧変動率がどう違うかを計算していくで。

それじゃ、結果を見てみよか！