令和6年度 下期 機械 問5
水車発電機とタービン発電機の極数・回転子の形の違い
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター 令和6年度 下期 第三種電気主任技術者試験 機械科目 問題（問題文・選択肢は改変せず、公開PDFの該当ページをそのまま掲載しています）
解説
同期発電機の回転速度は N = 120f/p。周波数 f は系統で決まっているので、回転の速さと極数 p は反比例する。ここから全部の空欄が出てくる。
**(ア) 小さい、(イ) 大きく** 水車は回転速度が比較的**小さい**（数百 min⁻¹）。それでも 50/60 Hz を出すには、極数を**大きく**（多く）しなければならない。
**(ウ) 大きく** 極がたくさん並ぶので、水車発電機の回転子は直径が**大きく**、軸方向に短い形（突極形）になる。
**(エ) 大きい、(オ) 小さく** 蒸気タービンは回転速度が**大きい**（2極なら 3 000/3 600 min⁻¹）。高速で回る回転子は遠心力が大きいので、強度の面から直径を**小さく**して、そのぶん軸方向に長くする（円筒形）。
したがって正解は(2)。
迷ったら N = 120f/p に戻る。「遅い＝極が多い＝太く短い」「速い＝極が少ない＝細く長い」と形まで一緒に覚えておくとよい。
選択肢ごとの理由
- (1)(イ)が小さくで誤り。回転が遅いのに極数を減らすと、周波数が足りなくなる。(オ)も大きくで逆。
- (2)正しい。小さい／大きく／大きく／大きい／小さく の組合せ。
- (3)(エ)(オ)が逆。タービン発電機は高速なので、遠心力に耐えるよう直径を小さくする。
- (4)(ア)が大きいで誤り。水車は低速。(ウ)も逆で、極数の多い水車発電機は直径が大きい。
- (5)(ア)(イ)(ウ)(エ)(オ)のすべてが逆になっている。
この論点は、データセンターの現場でこう出てくる
N = 120f/p の関係は、データセンターの非常用発電機の仕様を読むときにそのまま出てくる。 DCの非常用発電機の多くはディーゼルエンジンかガスタービンで回す同期発電機。ディーゼル式は 50 Hz なら 1 500 min⁻¹（4極）、60 Hz なら 1 800 min⁻¹（4極）で回るものが多い。ガスタービン式はタービン自体が数万 min⁻¹ で回るので、減速機を挟んで発電機を回す。同じ容量でも、どちらを選ぶかで始動時間・設置面積・冷却水の要否・騒音が変わる。 また、発電機の周波数は回転数そのものなので、大きな負荷が一気につながると回転が落ちて周波数が下がる。UPSや精密空調の入力側は周波数の変動に敏感なので、発電機に切り替わった直後は負荷を段階的に投入する。発電機の回転速度と周波数が直結していることを理解しておくと、この段階投入の理由がわかる。
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