General Lectures on Electrical Engineering(1) 電気の歴史から

ニコラ・テスラの電磁気, 永久機関

スタインメッツ全集2つめのGeneral Lectures on Electrical Engineeringを読んできます。電気の歴史みたいなやつですね。文章ばっかりです。

vol2 General Lectures on Electrical Engineering

とりあえず、読んでいきます。

翻訳メモ : 

feeder : 給電線
distribution : 配電
station : 発電所または変電所
generating station : 発電所
substation : 変電所


GENERAL LECTURES
on
ELECTRICAL ENGINEERING
FIRST LECTURE
GENERAL REVIEW.

一般的なレビュー

経済的な用途では、電力は、発電、送電、変換、配電、および利用という連続したステップを通過します。 連続するステップによって課される電力の特性に関する要件は一般に異なり、しばしば矛盾しているため、電気システムの設計は妥協です。 たとえば、ほとんどの目的で電力は600ボルトまでの低電圧でしか使用できませんが、経済的な送電にはできるだけ高電圧を使用する必要があります。

多くの目的のために、起電力として、直流が必要です。 他のもの、例えば、鉄道には直流が望ましい。 一方、高電圧の直流電流を生成および変換するのは非常に難しいため、送信には交流が好ましい。

電力が通過するステップの設計では、他のすべてのステップの要件を考慮する必要があります。 この点で最も重要なのは、電力の生成と送信の最終目的であるため、電力の使用です。 次に重要なのは伝送です。長距離伝送ラインは通常、システムの最も高価な部分であり、伝送では、電力が通過する他のステップよりも制限が厳しいためです。

 

電力の主な用途は次のとおりです。

照明と電力の一般的な用途 :  電力の使用と照明の相対的な割合は、実際にはすべての電流が照明に使用される多くの小都市の配電システムから、夕方に適度な照明負荷のみの工場や工場の配電までさまざまです。

電気鉄道,
電気化学。

便宜上、この件についてはサブセクションで説明します。

  1. 照明と電力の一般的な用途。
  2. 長距離伝送。
  3. 生成。
  4. 制御と保護。
  5. 電気鉄道。
  6. 電気化学。
  7. 照明。

 


CHARACTER OF ELECTRIC POWER.

電力の特性

電力は
(a)交流および直流。
(b)定電位および定電流。
(c)高電圧および低電圧。
(d)電力は
(a)交流および直流。
(b)定電位および定電流。
(c)高電圧および低電圧。
(a)交流は送電に使用され、大都市の中心を除く一般的な配電に使用されます。 通常、直流は鉄道に適用されます。 配電には、両方の形式の電流が使用されます。 電気化学では、電解作業には直流を使用する必要がありますが、電気炉作業には交流が好ましいです。

交流の2つの標準周波数は60Hzと25Hzです。前者は照明と電力の一般的な配電に使用され、後者は直流への変換、交流鉄道、および大電力にしばしば好まれます。
ヨーロッパでは、50Hzが標準周波数です。この周波数は、南カリフォルニアのこの国ではまだ残っていますが、60Hzが標準になる前に導入されました。
30年前のごく初期の標準であった125から140Hzは消えました。

かつて60〜25Hzの妥協案として導入された40Hzの周波数は、一般的な配電ではやや低く、直流への変換に望ましくないため、急速に消失しています。

40Hzの周波数はアーク灯や白熱灯がまだ実現可能な最低周波数として、工場や工場の配電にも広く使用されていました。低速レシプロエンジンで駆動される40Hz発電機は、極数(モーターのNS極のセットの数のこと。2,4,6,8,…と偶数個の様々な極数がある。)が少ないため、並列運転がより簡単になるためです。高速原動機としての蒸気タービンの開発により、この点で条件が逆転し、60Hzがより便利になり、より高速のタービン速度が得られます。4極および双極60Hzでそれぞれ1800および3600回転マシン、25Hzで750および1500回転に対して、非常に大きなサイズを除き、ターボオルタネーターの蒸気経済性とコストを削減します。

30Hz、33Hz、66Hzなど、いくつかの時期に、特に初期に試みられた奇妙な周波数は広がっていません。 また、鉄道用に提案されている15Hzと8Hzなどの25Hz未満の周波数では十分な利点が証明されていないため、一般に、電気システムの設計では、25Hzと60Hzの2つの標準周波数のみが使用されます。 現在、60Hzが使われる傾向にあり、60Hzの使用は25Hzの使用よりも急速に拡大しています。これは、特にかなり優れた60Hzコンバーターが完成されているためです。

現代の日本では、ご存知の通り周波数50Hzと60Hzの両方が使われています。アメリカが持ち込んだものが60Hzで、ドイツが持ち込んだものが50Hzらしいです。この論文の著者は1900年くらいの人でアメリカに住んでいた人です。今はアメリカは60Hzで、ヨーロッパは50Hzになってます。

(b)交流または直流の定電流、つまり負荷に応じて電圧が変化する定電流の電流は、主にアーク灯および直列白熱灯による街路照明に使用されます。 他のすべての目的には、一定の電圧が使用されます。

(c)長距離伝送の場合、最高の許容電圧が使用されます。 交流一次配電の場合、2200ボルト、つまり2000〜2600の電圧になります。 交流二次配電、および直流配電の場合、220〜260ボルト、場合によってはこの電圧の2倍、直流鉄道の場合、550〜600ボルト、場合によっては1200、1800、さらに2400および5000ボルトです。 交流鉄道では通常11000ボルトです。

 


1. General Distribution for Lighting and Power.

一般的に配電されている照明と電力

照明と電力の一般的な配電では、直流と60Hzの交流が利用できます。 25Hzの交流は、アーク灯を許可しないため、あまり適していません。白熱照明では、ある条件下で、いくつかの交流では、ちらつきが表示されますが、他ではあまり表示されません。

配電電圧は、白熱灯の制限によって、つまり約110ボルトに決まります。 適切な制限としては110ボルトは低すぎます。つまり、かなりの量の電力を、無視できるほどの電圧降下で分配するには低すぎます。

したがって、図1に図式的に示すように、3線式システムを使用して、外部と中部間で110ボルト、外部導体間で220ボルトの3線式システムを使用することで、実際には常にその2倍の電圧が配電に使用されます。

2つの回路間の負荷をほぼバランスさせることにより、中部線の電流は非常に小さく、電圧降下はごくわずかであり、配電に関する電圧降下は220ボルトで発生し、銅は経済的であり、ランプは110ボルトで動作します。 別個の変圧器が単一の家に給電する場合でも、ランプの数がそれほど多くない場合、通常は3線式の配電が望ましいです。

外部導体間に440ボルトの220ボルトの配電が試みられましたが、220ボルトランプの効率が低いため、この国では不経済であることがわかりました。

したがって、この国では110ボルトのランプがほぼ独占的に使用されていますが、イギリスでは、たとえば、外部導体間に440ボルトの3線式配電システムでは220ボルトのランプが主に使用されています。

配電システムで必要な銅の量は、配電コンダクターでの電力損失と同じです。電圧の二乗に反比例します。つまり、同じ配電効率で2倍の電圧で、2倍の電圧降下を許容できます。また、2倍の電圧では、電流は半分になります。同じ負荷に対して、電流の半分での電圧降下の2倍は抵抗の4倍、つまり導体材料の4分の1になります。

110ボルトのランプを使用した220ボルトの配電から220ボルトのランプを使用した440ボルトの配電に変更することで、配電線の銅の量が減少し、投資コストが大幅に削減され、電流がより遠くまで供給されます。顧客の端末での経済的な電流供給の観点から、より高い電圧が望ましいです。

ただし、通常のサイズでは、50から60ワットの電力消費であり、古いカーボンフィラメントでは16キャンドル電力くらいの消費電力であり、さらに大きい消費電力のタングステンランプのような金属フィラメントランプでも、220ボルトのランプは実質的に効率が低く、つまり、同じ耐用年数で同じ量の光を生成する場合、110ボルトのランプよりも10〜15%多くの電力を必要とします。

この違いは白熱電球に固有のものであり、110ボルトのフィラメントと比較して220ボルトのフィラメントの長さと断面がはるかに大きいため、これを克服する可能性はありません。 現在の110ボルトランプと同じ有効寿命で220ボルトランプを効率的に構築できる場合、これは単に同じ改善により110ボルトランプの効率も向上することを意味します。 10%から15%に増加しましたが、違いは残ります。 小さなユニットの場合、効率の差はさらに大きくなります。

実際、イングランドおよび220ボルトの配電が広く使用されている国では、一般に「マツダランプ」と呼ばれるタングステンランプの導入は、光の使用者の大きな不利を招き、今でも非常に深刻に制限されています。

220ボルトのランプの使用に起因する10から15パーセントの効率の損失は、電力の節約と電源供給への投資コストよりもはるかに大きいです。したがって、無電圧ランプを備えた220ボルトシステムは、顧客のランプで生成される光の量において、220ボルトランプを備えた440ボルトシステムよりも効率的です。この国では、初期から照明会社は、ランプを無料で供給および更新することにより、顧客のランプでの光の出力まで責任を受け入れてきました。そのため、110ボルトのランプを使用するシステムが使用され、220ボルトのランプには存在権がありません。配電会社が責任を顧客のメーターまでで終了したと見なし、顧客が自分でランプへの配電をするような海外の国では、配電会社は440ボルトシステムの使用を使い節約します。顧客の220ボルトランプでの損失は、配電会社による効果をはるかに超えています。

この国での110ボルト配電の一般的な使用と、海外での220ボルトの使用は、 照明会社の政策の違いの結果です。より具体的には、電力だけでなくランプも供給して、顧客に与えられたコストで生産可能な最大の光を与える責任を負うというエジソンのインスピレーションを持った、エジソンの大企業の政策の違いの結果です。

このように、無料のランプ更新の方針は、アメリカの配電会社の照明サービスの優位性をもたらし、維持した最も重要な原因でした。コストが高く電力消費が少ない金属フィラメントランプの導入により、ここ数年、アメリカの優位性の基盤となっているこの無料ランプ更新の方針は深刻な脅威にさらされていました。しかし、ランプメーカーと配電会社の協力により、タングステンランプの価格が十分に下げられ、寿命が延びて、マツダランプで無料のランプ更新に戻り、それによって顧客が使用するランプの効率、およびそれにより照明サービスの優れた品質を保護できるようになったことは幸いです。

110の配電電圧と言えば、105から130ボルトの範囲の電圧を意味し、わが国のさまざまな配電システムは、白熱灯の最高の経済性を確保するために、この広い範囲内のさまざまな電圧を選択しています。古いカーボンフィラメントランプの製造では、効率、ワット数、および電圧の3つの量のうち、仕様に従って正確に製造できるのは2つだけでした。

したがって、ランプを製造する際に、その電圧を適切なワット数で正しくすることができますが、効率は少しオフになる可能性があります。または、望む効率は望むワット数で生成されることができますが、電圧は仕様とは少し異なります。

したがって、仕様を順守するために比較的広いマージンを許可する必要があります。つまり、かなり不規則な製品を受け入れるか、そうでなければランプのかなりの割合が仕様を満たさないため、コストが増加します。

この困難は、効率とワット数に関して正確なランプを製造し、次にそれらを電圧で分類し、ランプ製造業者と照明会社との間の合意により、ランプ製品全体を利用するために、さまざまな動作電圧が後者によって選択されることによって満たされました。これにより、ランプの非常に近い定格と、それに対応する照明システムの高い均一性と経済性が確保されましたが、この機能により多数の配電電圧が発生しました。

 

しかし、カーボンフィラメントランプは事実上姿を消し、マツダランプでは、タングステンワイヤが正確な直径に引き伸ばされて正確な長さに切断され、効率、ワット数、電圧が確実に固定されたため、多くの配電電圧の必要性はなくなり、多くのランプ電圧規格が必要になるため、それらはかなり深刻な経済的不利益になります。

したがって、配電電圧を可能な限り最小の数、おそらく3または4に減らし、それに対応してランプ規格の数を減らすという強い動きが存在し、これは経済性の向上の方向にあるので、間違いなくもたらされます。 ただし、たった1つの標準ランプ電圧だけに行くことはおそらく不可能でしょう。ただし、拡張配電システムでは、離れた場所よりも変電所の近くで標準としてより高いランプ電圧が選択される場合があるため、複数の標準電圧が望ましい場合があり、それによって電圧調整の問題がいくらか簡素化されます。

したがって、配電システムを考慮する場合、110ボルト以外のランプ電圧(つまり、それによって表される電圧の範囲)を考慮する必要はありません。

ほとんどの大都市で使用されている直流配電システムでは、220ボルトのネットワークに直流発電所から電力が供給されます。または、現在ではより頻繁に行われている、三相交流として主発電所、または長距離送電線から 電力を受け取るコンバータ変電所から電力が供給されます。

交流配電では、220ボルト配電回路に2200ボルトの一次配電システムからの降圧変圧器から給電されます。 交流配電の場合、かなりのモーター負荷を考慮する必要がありますが、単相モーターは多相モーターよりも劣るため、多相電源の配置が望ましく、したがって交流配電は大型および中程度のサイズに適しています。

 


COMPARISON OF ALTERNATING CURRENT AND DIRECT CURRENT.

交流と直流の比較

220ボルトの低い配電電圧では、中程度の距離からのみ経済的に電流を供給することができ、1〜2マイルを超えて使用することはめったにありません。

直流システムでは、発電所またはコンバータ変電所、つまり回転機械を含む発電所から電流を供給する必要があります。 このようなステーションには継続的な注意が必要であるため、少なくとも数百キロワットの容量でなければ、その運用はほとんど経済的ではありません。

したがって、直流配電システムは、半径1〜2マイル以内に十分な需要があり、適切なサイズの発電機または変換変電所に負荷をかける場合にのみ、経済的に使用できます。

したがって、直流の使用は、大都市のようにかなり集中した負荷が存在する場所に制限されます。 一方、郊外、および1つの低張力供給地点から変電所に負荷をかけるのに十分な顧客に到達するには負荷があまりにも分散している小さな都市や村では、単に注意を必要としない降圧変圧器を必要とするからため、交流を使用する必要があります。 

しかし、ここ数年、いくつかの自動コンバータ変電所が開発されました。これらは、たまに検査を行うだけで、非常に満足に動作します。

 

大都市の内部では、抵抗によって消費される電圧に加えて、自己インダクタンスまたはリアクタンスによって電圧がさらに低下するため、交流システムは不利です。また、大きな低圧電流の配電に必要な大きな導体では、自己インダクタンスによる電圧降下が抵抗による電圧降下よりもはるかに大きいため、システムが大幅に調整できなくなるか、少なくとも電圧調整が直流よりもはるかに困難になります。

大都市での配電における交流の2番目の欠点は、モーター負荷のかなりの部分がエレベータモーターであり、交流エレベータモーターは依然として直流モーターよりもいくらか劣ることです。 エレベーターサービスは基本的に、高トルクでの起動と急速な加速で構成され、これらの機能の両方で、複合界磁巻線を備えた直流モーターが優れており、制御が容易です。

したがって、直流を低圧配電で使用できる場合は、それを使用し、直流を使用できない場合、つまり負荷が十分に集中していない場合に、 コンバータ変電所を経済的に運用するために、交流低圧配電を使用することが好ましい。

低圧直流システムでの電力損失は、単に導体の\(i^2r\)の損失であり、無負荷ではゼロであり、負荷とともに増加します。 直流配電システムにおける唯一の一定の損失は、顧客の敷地内にある電力計のシャント・コイルの電力損失です。 したがって、直流システムでは、配電の効率は軽負荷で最大になり、負荷の増加とともに低下します。

降圧変圧器によって二次低張力回路に給電する2200ボルトの一次配電の交流配電システムでは、導体の\(i^2r\)損失は通常、直流システムよりもはるかに小さくなりますが、大きな定数の損失、または「無負荷」損失(鉄損のこと)が存在します。変圧器の鉄損と交流配電の効率は通常軽負荷で最も低くなりますが、負荷が大きくなると変圧器の鉄損が総電力の割合が低くなるため、負荷の増加とともに効率が増加します。 交流システムの\(i^2r\)損失は、直流システムよりもはるかに低くなければなりません。

  1. 同様に良好な効率が望まれる場合、\(i^2r\)が唯一の損失ではなく、「無負荷」または変圧器の鉄損の存在により、負荷損失または\(i^2r\)損失を減らす必要があるためです。交流システムでは、各低圧主電源に必要なのは降圧トランスだけであり、注意は必要ありません。 そのため、直流システムでは、回転式コンバータ変電所(交流の変電所)よりも多くの変圧器を使用でき、二次配電距離が大幅に短縮されるため、\(i^2r\)損失が削減されます。
  2. 交流システムでは、導体の電圧降下は、自己誘導降下による\(ir\)降下よりも大きくなります。 したがって、\(ir\)降下は全電圧降下の一部にすぎません。 そして、同じ電圧降下、したがって直流システムと同じ条件では、交流システムの\(i^2r\)損失は直流システムよりも小さくなります。
  3. 自己インダクタンスの電圧降下により、損失は交流の方がより小さくなり、したがってより多くの低圧配電回路が直流よりも交流で使用され、各低圧回路の個別の独立した電圧調整、つまり各々変圧器を使用する必要があります。つまり、通常は実行不可能になります。これは、交流低圧配電回路の総電圧降下、抵抗、およびインダクタンスを数パーセント以内、つまり白熱灯で許容される範囲内に維持する必要があることを意味します。その結果、交流低圧配電の電圧調整は、しばしば直流配電の電圧調整よりも劣っていましたが、多くの場合、効率の低い白熱電球の使用を必要とする程度です。

    ただし、一次交流給電線での電圧レギュレータの拡張使用により、優れたクラスの交流配電システムで良好な電圧調整が確保されます。



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