発電機の空運転

Question

水力発電機を無負荷で運転したとき、発電機の摩擦などによるエネルギー消費があることはわかりますが、もともとの水力あるいは電力というエネルギーはどこに行くのでしょうか

また負荷が大きくなると発電機の回転数が落ちるなんていうことはあるんでしょうか

info22 · Accepted Answer

#3です。
>１)自動車のアイドリングと同じようにわずかの水量で回転させることはできる。
水車も発電機と連動していて非常に大きな設備です。水車と発電機を連結している回転軸も直径50cm位あるかと思います。周波数を一定（１%以下の誤差）に保ち続けるために、常に一定の回転速度で回転させ続けないといけませんね。止める事ができないし、消費電力が減少して負荷が少ない夜間が、余剰電力を使ってダムに揚水して負荷を増やしたり、深夜電力を低料金にして、最低の電力消費量を増やして原子力発電の固定発電量を増やすようなことをします。揚水したダムの水は、電力消費が増大する時に備えて使うようなこともします。発電機に連結した水車も重いのでわずかといっても半端な水量ではありません。

>２)もし水量を増やすとアクセルを踏みこんだときと同じように一気に回転が上がってたいへんなことになる
>と素人的には考えましたが、これでいいんでしょうか
回転数を一気に変えたら、その電力会社管内の工場に製造物の不良品が大量に発生し、被害を受けた工場等から、数百億円の損害賠償を要求されるでしょう。多くの工場も電力会社と周波数を一定の範囲の変動以下に抑える契約をしており、それに違反すれば、電力会社が損害補償をしないといけないでしょう。そのため、電力会社は水車、つまり発電機の回転数を正確に一定に保つことが必須なのですね。そういうことを制御している作業員は昼夜を問わずかなりの要員で電力消費を監視して、早め、早めに、どこの発電所でどれだけ発電させるかを決めて制御しているわけです。発電所の総発電能力が不足すれば、停電や周波数が低下しますので、大きな工場の操業停止を要請したり、他の電力会社から電力を供給を受けたりして、周波数を一定に保ち、それによって電圧も安定化します。

info22 · Answer

電力の発生量は、電力の消費量に時々刻々同じになります。同じになるように発電量を時々刻々調節します。
原発では発電量の調節が短時間できませんのでいつも固定の発電量を発電しています。火力発電や天然ガス発電も原子力と同様、高温・高圧の水蒸気を作ってその蒸気を使ってタービンを回して、それに発電機を連結して発電していますので瞬時には出力を調整する事はできませんが、燃料の噴射量などの調節が、原子力よりはしやすいため、毎日の平均的な消費電力のカーブにあわせて計画発電をするのに使われています。水力発電は、水車の羽根車に送水する送水管の水量バルブを高速に開閉してして、消費電力の時々刻々の電力に見合った水量を調節して、発電機の回転数（これが交流の周波数になる）を一定に保っています。
消費電力は、企業や工場が稼働しない時間帯に減少し、家庭では夜やプロ野球の視聴率の高い時間や極寒や真夏の冷暖房の一斉使用時などには急増します。消費電力が減れば、発電機の回転数が増加しようとしますが、その回転数を先読み予測して、発電機の水車に流し込む水量を増減して回転数を一定に保ちます。消費電力が急増すれば、発電機の回転数が減少しようとしますので、水車に送り込む水量を急増して、発電機の回転数を一定に保つようにすれば、消費電力と同じ発電量が維持できていることになります。

＞負荷が大きくなると発電機の回転数が落ちるなんていうことはあるんでしょうか。
負荷（消費電力）が大きくなれば、発電機の回転数が落ちようとしますので、回転数が落ちないように発電機に直結した水車の羽根に当たる水量を増やして水車の回転数を一定に保つようにするのが、電力会社の電力系統の発電量の系統制御（複数の発電所でトータルの消費電力に等しい電力を、各発電所ごとに割り振って、原子力には基本的な固定の電力分の発電をさせ、一日の平均的な消費電力の変化を計画的に火力や天然ガス発電所に割り当て、時々刻々の消費電力の変化分を水力発電に割り当てて、全体としての発電量を消費電力に等しくしているという事ですね。

発電機の回転数は、家庭や工場に提供される電力の周波数ですので、回転機器（モーター）を使う所では即、影響を受けます。
周波数が変動したら、エスカレーターの速度や電車の速度や輪転機の印刷速度や向上の生産ラインの加工品の移動速度やせんべいなどのお菓子の暑さや、瓶詰めの液量調節など、様々なところに影響がでます。
ですから、東日本の５０Hz、西日本の６０Hzを正確に一定に保たないと、電力を消費する需要家に非常な損失を与えて損害賠償をする羽目になりますから、電力会社は周波数を一定に保つ事は至上命令なのですね。

kan_shorin · Answer

質問がよく理解できません。

水力発電機を無負荷で運転したときには、軸受部に発生する機械損失を補給してやらないと、連続回転は続きません。
この時、それに相当する水量しか流れませんのでバランスはとれています。電力エネルギーがもともとある、ということが何を言いたいのか分からない。電力は蓄積できないエネルギーですから、系統負荷に見合った電力しか供給されません。系統事故等で、負荷が急減すると、あふれるエネルギーは回転数を上げることに使われます。
負荷が大きくなると回転数は上がります。

発電機の制御の根本仕組みに速度調定率というものがあります。負荷と速度の間に比例関係を持たせているものですが、全負荷時回転数を100%とすると、無負荷時回転数は105%程度で直線の関係に設定することが普通です。要するに比例帯でこれがないと制御できません。

doc_sunday · Answer

>負荷が大きくなると発電機の回転数が落ちる…
はい落ちます。ですので交流発電機では周波数低下が生ずるため昔は管理が大変でした。今は周波数制御が出来るので少しはマシですが、電力会社にとっては頭の痛い問題です。

>もともとの水力あるいは電力というエネルギーは
発電機は空回りで電力を生ぜず、水力はだだ洩れで下流に流れ、厳密に言えば「熱エネルギー」に変わります。ああもったいない。

発電機の空運転

#3です。

電力の発生量は、電力の消費量に時々刻々同じになります。

質問がよく理解できません。

>負荷が大きくなると発電機の回転数が落ちる…

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