2024年度 学院等開講科目 工学院 機械系 エネルギー・情報コース
機械電気エネルギー変換
- 開講元
- エネルギー・情報コース
- 担当教員
- 藤田 英明
- 授業形態
- 講義 (対面型)
- メディア利用科目
- -
- 曜日・時限
(講義室) - 火5-6 (W9-323(W932)) / 金5-6 (W9-323(W932))
- クラス
- -
- 科目コード
- ESI.L401
- 単位数
- 200
- 開講時期
- 2024年度
- 開講クォーター
- 3Q
- シラバス更新日
- 2025年3月14日
- 使用言語
- 英語
シラバス
授業の目的（ねらい）、概要
本講義では，機械的なエネルギーを電気的なエネルギーに変換する発電機とその応用システムを講義する。前半では，電磁誘導と電磁力，直流発電機，同期発電機，誘導発電機の基本原理と応用，系統連系時の特性を取り扱い，発電機単体の特性を学ぶ。後半は，電力変換器と組み合わせたシステムについて，発電機の可変速運転と発電機用電力変換器，変換器の制御法，および水力発電と風力発電への応用を学ぶ。
発電機は，水力・風力発電などの直接機械的なエネルギーを用いる場合だけでなく，火力・原子力・太陽熱・地熱・バイオマスなどの様々な熱エネルギーを用いた発電にも広く用いられている。これらの場合，ガスもしくは蒸気タービンを用いて機械的エネルギーに変換し，最終的には発電機によって電気的エネルギーに変換される。すなわち，太陽光と燃料電池以外の発電は，すべて発電機で発電されているとも言える。したがって，このような観点から，電気や機械の学生だけでなく，再生可能エネルギーや新エネルギーに関心のある諸君に受講していただきたい。
到達目標
本講義を履修することによって,以下の能力を身についけることを目標とする。
1) 種々の発電機の構造とその動作原理を説明できる。
2） 電磁気学および電気回路の知識に基づいて発電機の動作特性を計算できる。
3） 発電機の制御に必要な電力変換器の動作特性を計算できる。
4） 発電機と電力変換器を組み合わせたシステムの適用範囲と動作特性を計算できる。
5） エネルギーリソースの規模や特性に合わせて，発電機と電力変換器を組み合わせたシステムを選択できる。
キーワード
発電機，電力変換器，エネルギー，電力系統
学生が身につける力
- 専門力
- 教養力
- コミュニケーション力
- 展開力 (探究力又は設定力)
- 展開力 (実践力又は解決力)
授業の進め方
毎回の授業では，まず回路トポロジーや制御法，解析手法などを説明し，講義内容に関する議論と発表を行う。
授業計画・課題
| 授業計画 | 課題 | |
|---|---|---|
| 第1回 | 発電機と機械電気エネルギー変換 イントロダクション，発電機の種類，発電機の使用例 | 電力需要と供給についての議論 |
| 第2回 | 電磁誘導と電磁力 電磁誘導と誘導起電力，電磁力とトルク | 電磁気と電気回路，電気機器の復習 |
| 第3回 | 機械電気エネルギー変換の基礎 直流発電機，トルク，誘導起電力，機械電気エネルギー変換 | 機械電気エネルギー変換に求められる能力についての議論 |
| 第4回 | 交流発電機の基礎 回転磁界，トルク，誘導起電力 | 機械電気エネルギー変換の3原理について予測される特性の比較 |
| 第5回 | 同期発電機 構造，原理，動作特性 | 同期発電機の基本特性の計算 |
| 第6回 | 同期発電機の系統連系特性 系統連系，動作原理，基本特性 | 系統連系時の同期発電機の基本特性の計算 |
| 第7回 | 同期発電機の安定性 同期化力，安定度解析，電力変動 | 同期発電機の安定度評価 |
| 第8回 | 発電機の可変速運転 システム構成，原理，基本特性 | 可変速運転の特性計算 |
| 第9回 | 可変速運転用電力変換器 整流器，インバータ，サイクロコンバータ，それらの組み合わせ | 可変速運転用電力変換器に要求されると特性に関する議論 |
| 第10回 | 同期発電機の可変速運転 システム構成，動作原理，基本特性 | 同期発電機の可変速運転特性に関する議論 |
| 第11回 | 誘導発電機の可変速運転 システム構成，動作原理，基本特性 | 誘導発電機の可変速運転特性に関する議論 |
| 第12回 | 誘導発電機の二次励磁制御 システム構成，動作原理，基本特性 | 従来法と二次励磁制御による誘導発電機の特性比較 |
| 第13回 | 水力発電システムへの応用 従来の水力発電機，揚水発電，可変速運転 | 要求される動作特性と適したシステム構成についての議論 |
| 第14回 | 風力発電システムへの応用 誘導発電機，誘導発電機の二次励磁，永久磁石発電機 | 要求される動作特性と適したシステム構成についての議論 |
準備学修(事前学修・復習)等についての指示
学修効果を上げるため，教科書や配布資料等の該当箇所を参照し，「毎授業」授業内容に関する予習と復習（課題含む）をそれぞれ概ね100分を目安に行うこと。
教科書
講義スライドはOCW/iにて配布する。
参考書、講義資料等
参考となる論文等については，講義中および講義資料にて紹介する。
成績評価の方法及び基準
毎回の討議に関するレポート（100%）により評価する。
関連する科目
- EEE.C201 ： 電気回路第一
- EEE.C202 ： 電気回路第二
- EEE.E201 ： 電磁気学第一
- EEE.E202 ： 電磁気学第二
- EEE.P301 ： 電気機器工学
- EEE.P321 ： 電力工学第一
- EEE.P322 ： 電力工学第二
- EEE.P311 ： パワーエレクトロニクス
履修の条件・注意事項
本講義では，物理学の「電磁気」や基礎的な「電気回路」の知識を必要とする。