【問題】
【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）
次の文章は，水力発電所の調速機に関する記述である。文中の\( \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ \)に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。
調速機は，起動時の系統並列に向けた速度調整や負荷遮断時の異常な水圧上昇等を抑える役割を持つが，通常時は，系統の\( \ \fbox { （１） } \ \)を安定させることが要求されており，負荷の増減に関わらず，水車の\( \ \fbox { （２） } \ \)を一定に保つ役割を持っている。
調速機は，電気制御部，油圧機構部，サーボモータ操作部などで構成されるが，大別して，電気制御部を\( \ \fbox { （３） } \ \)，圧油操作部を\( \ \fbox { （４） } \ \)と呼んでいる。最近では，発電所の油レス化を図るために，圧油に代わり，電動サーボモータが用いられる場合も多い。
今，単独運転状態で定格出力が\( \ P_{\mathrm {n}} \ \)の水車発電機において，発電機が出力\( \ P_{\mathrm {1}} \ \)，定格回転速度\( \ N \ \)で回転しているとする。次に，負荷が減少して発電機出力が\( \ P_{\mathrm {2}} \ \)に減少すると，回転速度は\( \ N_{\mathrm {2}} \ \)となり，少し回転速度が上昇する。速度調定率\( \ R \ \)は，その変化の度合いを表すものであり，\( \ \fbox { （５） } \ \)により求められる。
〔問1の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）& R=\frac {\left( N_{\mathrm {2}}-N\right) }{N} {\huge{ / }} \frac {\left( P_{\mathrm {2}}-P_{\mathrm {n}}\right) }{P_{\mathrm {1}}} &（ロ）& R=\frac {\left( N_{\mathrm {2}}-N\right) }{N} {\huge{ / }} \frac {\left( P_{\mathrm {1}}-P_{\mathrm {2}}\right) }{P_{\mathrm {n}}} \\[ 5pt ]
&（ハ）& R=\frac {\left( N_{\mathrm {2}}-N\right) }{N} {\huge{ / }} \frac {\left( P_{\mathrm {2}}-P_{\mathrm {1}}\right) }{P_{\mathrm {n}}} &&\\[ 5pt ]
\end{eqnarray}
\]
\[
\begin{eqnarray}
&（ニ）& \mathrm {PID} &（ホ）& レギュレータ &（ヘ）& 出力 \\[ 5pt ]
&（ト）& コンバータ &（チ）& 安定度 &（リ）& 電圧 \\[ 5pt ]
&（ヌ）& 周波数 &（ル）& シーケンサ &（ヲ）& アクチュエータ \\[ 5pt ]
&（ワ）& \mathrm {PMG} &（カ）& 水口開度 &（ヨ）& 回転速度 \\[ 5pt ]
\end{eqnarray}
\]
【ワンポイント解説】
水力発電所の調速機に関する問題です。
調速機は同期発電機に接続されている水車の回転速度を一定に保つ機器で，昔はおもりを回転させて遠心力で調整する機械を使用するのが一般的でしたが，現在は電子化が進んできている印象があります。
汽力発電所で使用される発電機においても同様で，私の所属していた発電所も調速機は電子化されました。
1.同期発電機の同期速度\( \ N_{\mathrm {s}} \ \)
同期発電機は系統の周波数と同期して回転する発電機で同期速度\( \ N_{\mathrm {s}} \ \)は，極数が\( \ p \ \)，周波数が\( \ f \ \)の時，
\[
\begin{eqnarray}
N_{\mathrm {s}} &=&\frac {120f}{p} \\[ 5pt ]
\end{eqnarray}
\]
となります。
2.速度調定率\( \ R \ \)
発電機の定格回転数\( \ N_{\mathrm {n}} \ \)，回転速度の変化量\( \ \Delta N \ \)もしくは定格周波数\( \ f_{\mathrm {n}} \ \)，周波数変化量\( \ \Delta f \ \)としたときの定格出力\( \ P_{\mathrm {n}} \ \)，出力変化量\( \ \Delta P \ \)の比を速度調定率\( \ R \ \)と言い，
\[
\begin{eqnarray}
R &=& \frac {\displaystyle \frac {\Delta N}{N_{\mathrm {n}}}}{\displaystyle \frac {\Delta P}{P_{\mathrm {n}}}} \\[ 5pt ]
&=& \frac {\displaystyle \frac {\Delta f}{f_{\mathrm {n}}}}{\displaystyle \frac {\Delta P}{P_{\mathrm {n}}}} \\[ 5pt ]
\end{eqnarray}
\]
となります。
※本問の(5)の選択肢に迷う場合は，周波数（回転速度）が低下したら負荷が重くなっているので出力を上げ，周波数（回転速度）が上昇したら負荷が軽くなっているので出力を下げると覚えておきましょう。
【用語の解説】
（ニ）\( \ \mathrm {PID} \ \)
一般的なフィードバック制御に用いられる制御で，\( \ \mathrm {P} \ \)（比例制御），\( \ \mathrm {I} \ \)（積分制御），\( \ \mathrm {D} \ \)（微分制御）を組み合わせて制御するものです。
（ホ）レギュレータ
調節器の総称で，調速機においては設定値を一定に保つ電気的な制御部のことをいいます。
（ト）コンバータ
電気の交流を直流に変換する機器をいいます。直流から交流に変換する機器をインバータといいます。
（ル）シーケンサ
あらかじめ指定されたプログラムに従い，制御するものです。発電所の起動停止時などに使用します。
（ヲ）アクチュエータ
油圧や電気等のエネルギーを機械的な動作に変換する装置で，調速装置においては圧油操作部を担います。
（ワ）\( \ \mathrm {PMG} \ \)
日本語名称は永久磁石発電機で，発電機の励磁機を励磁する場合に使用することがあります。
【解答】
(1)解答：ヌ
題意より解答候補は，（チ）安定度，（リ）電圧，（ヌ）周波数，等になると思います。
調速機は供給に見合った出力（有効電力）を制御し，系統の周波数を安定させる役割があります。
有効電力の調整→周波数の制御，無効電力の調整→電圧の制御，の関係は覚えておきましょう。
(2)解答：ヨ
題意より解答候補は，（ヘ）出力，（カ）水口開度，（ヨ）回転速度，等になると思います。
ワンポイント解説「1.同期発電機の同期速度\( \ N_{\mathrm {s}} \ \)」の通り，周波数と同期発電機の回転速度は比例関係にあるため，周波数を一定に保つために，水車の回転速度を一定に保つ必要があります。
(3)解答：ホ
題意より解答候補は，（ニ）\( \ \mathrm {PID} \ \)，（ホ）レギュレータ，（ト）コンバータ，（ル）シーケンサ，（ヲ）アクチュエータ，（ワ）\( \ \mathrm {PMG} \ \)，等になると思います。
用語の解説の通り，調速機において電気制御部のことをレギュレータと呼びます。
(4)解答：ヲ
題意より解答候補は，（ニ）\( \ \mathrm {PID} \ \)，（ホ）レギュレータ，（ト）コンバータ，（ル）シーケンサ，（ヲ）アクチュエータ，（ワ）\( \ \mathrm {PMG} \ \)，等になると思います。
用語の解説の通り，調速機において圧油操作部のことをアクチュエータと呼びます。
(5)解答：ロ
題意より解答候補は，（イ）\( \ \displaystyle R=\frac {\left( N_{\mathrm {2}}-N\right) }{N} {\huge{ / }} \frac {\left( P_{\mathrm {2}}-P_{\mathrm {n}}\right) }{P_{\mathrm {1}}} \ \)，（ロ）\( \ \displaystyle R=\frac {\left( N_{\mathrm {2}}-N\right) }{N} {\huge{ / }} \frac {\left( P_{\mathrm {1}}-P_{\mathrm {2}}\right) }{P_{\mathrm {n}}} \ \)，（ハ）\( \ \displaystyle R=\frac {\left( N_{\mathrm {2}}-N\right) }{N} {\huge{ / }} \frac {\left( P_{\mathrm {2}}-P_{\mathrm {1}}\right) }{P_{\mathrm {n}}} \ \)，になると思います。
ワンポイント解説「2.速度調定率\( \ R \ \)」の通り，速度調定率は，
\[
\begin{eqnarray}
R &=& \frac {\displaystyle \frac {\Delta N}{N_{\mathrm {n}}}}{\displaystyle \frac {\Delta P}{P_{\mathrm {n}}}} \\[ 5pt ]
\end{eqnarray}
\]
で表されますが，出力が減少すると回転速度が上昇するという関係から，
\[
\begin{eqnarray}
R &=& \frac {\left( N_{\mathrm {2}}-N\right) }{N} {\huge{ / }} \frac {\left( P_{\mathrm {1}}-P_{\mathrm {2}}\right) }{P_{\mathrm {n}}} \\[ 5pt ]
\end{eqnarray}
\]
が適当となります。
愛知県出身 愛称たけちゃん