水力発電装置の役割は川や湖などの高いところに位置しており、しかもポテンシャルエネルギーのある水を低いところに流し、水力タービンを通じて水力タービンの機械エネルギーに変換してから、また水力タービンが発電機を推し動かして発電させ、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するのである。
水力発電装置での水車発電機は水力タービンから駆動される。発電機の回転速度はACの周波数の出力するを決定する。そのため、安定的な回転子の回転速度は周波数の安定を保証することに対して極めて重要である。また、閉ループ制御という方式を採用して水輪機の回転速度を制御できる。すなわち、発信したACの周波数信号サンプルを利用し、水力タービンのカイドベーン開閉角度を制御する制御システムにフィードバックし、水力タービンの出力パワーを制御して、発電機の回転速度を安定させる目的を達成するということである。
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水力発電装置のエネルギー転換の過程は二つの段階に分けられる。つまり、まず水力タービンは水の失われたポテンシャルエネルギーを機械エネルギーに変換し、また発電機から水力タービンの機械エネルギーを電気エネルギーに変換するということである。具体的な過程は以下の通りである。
水流の衝撃作用により、水力タービンが回転を開始し、水のポテンシャルエネルギーを機械エネルギーに変換する。そして、水力タービンは同軸で繋がっている発電機を駆動し、発電機も回転し始めます。励磁電流の作用で、回転する回転子は励磁磁場の回転を駆動し、発電機のステータ巻線が励磁磁力線を切断することでその中に誘導起電力を生じ、電気エネルギーを出力するとともに、回転子でその回転方向と逆する電磁プレーキトルクを発生する。また、水流が絶えず水力タービンに作用するため、水力タービンが水流から得た回転トルクはモーターの回転子に発生する電磁ブレーキトルクを克服するために使用される。2つのトルクがバランスを取ると、水力発電装置はある恒常の回転速度で作動し、安定的に電力を出力し、エネルギーの転換を実現する。それゆえ、水力タービンと発電機は水力発電装置で最も重要な部品である。
筆者：孔靖茵
2020年2月28日