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商用電源周波数とは?

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  • 中立的な観点に基づく疑問が提出されています。(2011年3月)
230V/50Hz、110V/60Hzの波形

商用電源周波数(しょうようでんげんしゅうはすう)では、商用電源として供給されている交流の電源周波数について述べる。

目次

  • 1 日本の商用電源周波数
    • 1.1 50Hzと60Hzの境界線
    • 1.2 東西間での周波数変換による相互融通
    • 1.3 周波数の精度
  • 2 世界各国の商用電源周波数
    • 2.1 50Hz・60Hz併用国
    • 2.2 60Hz
  • 3 電化製品について
    • 3.1 50Hzでも60Hzでもそのまま使えるもの
    • 3.2 そのまま利用可能であるが、性能が多少変化するもの(誘導電動機のため)
    • 3.3 周波数が違うと利用できないもの
      • 3.3.1 電源周波数に同期して動作するもの
      • 3.3.2 特定の電源周波数専用に設計製造されたもの
      • 3.3.3 備考
  • 4 脚注
  • 5 関連項目
  • 6 外部リンク

日本の商用電源周波数

日本の電力系統

日本国内には、交流電源の周波数について、東日本の50ヘルツ(hertz; 以下、Hzと表記)と西日本の60Hzの相違がある。ひとつの国の中で 50Hz と 60Hz の独立した系統を有し、かつ周波数変換施設で連係しているのは日本のみである。

これは明治時代に、アメリカ合衆国での議論(電流戦争)に触発されて起こった、東京電燈大阪電燈との間の直流交流論争がきっかけであった。

関東では、1887年から直流送電を行っていた東京電燈が、交流の優位性の高まりに応じて交流送電への転換を決めた。そこで、50Hz仕様のドイツAEG発電機 (AC 3kV 265kVA) を導入し、1893年浅草火力発電所を稼動させた。関東大震災の復旧をきっかけに浅草火力発電所との系統連係の必要性から東京電燈管内は 交流送電 50Hzに統一されていった。しかし関西では、1888年に設立された大阪電燈が当初から交流送電を選択し、60Hz仕様のGE製発電機 (AC 2.3kV 150kW) を採用した。これらを中心に、次第に各地の電力供給が集約されていった結果、東西の周波数の違いが形成された。なお、第二次世界大戦直後、復興にあわせて商用電源周波数を統一しようと言う構想もあるにはあった。なお、一国内で周波数が違う事から、どちらでも使えるように周波数フリー(電圧フリーとなっている場合も多い)の電気機器が多く設計・製造販売されており、電圧が同じ100Vあるいは変圧器を使えば、どちらの周波数の国でも使用が可能である。また、最近ではあまり見られないが、スイッチ等により周波数切り替えができる機器もある。

現在の日本において供給側にとっては相互融通の点からは周波数を統一する方が望ましいが、それには一方あるいは両方の地域の発電機・変圧器の交換のみならず取引計器である電力量計をすべて一斉に交換しなければならない。その他、周波数変更の際に停電が伴ったり、さらに周波数に依存する機器(後述)を全て交換するか対策を施す必要がある。

50Hzと60Hzの境界線

最も有名な境界は静岡県の富士川で、富士川を境に東側が50Hz、西側が60Hzである。一般に境界は糸魚川静岡構造線に沿う形で、東側が50Hz、西側が60Hzである。実際には、電力会社毎に供給約款で標準周波数を定める。首都圏全域、静岡県東部(富士川以東)・伊豆、山梨県、群馬県(東京電力・一部例外あり)と新潟県(東北電力・一部例外あり)は50Hzであり、静岡県中・西部(富士川以西)と長野県(中部電力・一部例外あり)および富山県(北陸電力)は60Hzである。

ただし、以下の地域では供給約款の本則とは異なる標準周波数を定める。

静岡県富士市富士宮市は、商用電源周波数の境界である富士川が両市を横切り、富士川のが50Hz、西が60Hzと混在している。

また地域にかかわらず、工場など一部大口需要家が、電力会社の定める標準周波数とは異なる周波数を利用しているケースがある。この場合、需要側で受電設備に周波数変換設備を設けることがある。たとえばJR東海東海道新幹線は、富士川以東では浜松町・綱島・西相模・沼津の4箇所にある周波数変換変電所で、東京電力から受電後50Hzから60Hzに変換する(新富士駅から東京駅までの各駅舎は50Hzのまま)。

東西間での周波数変換による相互融通

沖縄電力を除く各電力会社間では電気の相互融通を行っているが、異なる周波数の電力会社間での相互融通のために、50Hzと60Hzの周波数変換を行う周波数変換所が設けられている。電力会社間の相互融通のための周波数変換所としては電源開発佐久間周波数変換所、東京電力の新信濃変電所、中部電力の東清水変電所の3箇所がある。融通可能な電力は佐久間変電所は最高30万kW、新信濃変電所60万kW、東清水変電所10万kWで、東側が154kV、西側が275kVで連系される。2011年3月現在の日本で周波数変換ができる変電所は上記3変電所のみで、両周波数間で融通できる最大電力は100万kWである。

この状況は電力業界で認識されていたものの、発電所を建設するに比べ多額の投資を要する(30万kW周波数変換所の建設には、約700億円と10年程度が必要とされる)事が問題とされている。しかし、周波数を1つに統一していくべきで、これは数十年以上前から専門家の間で指摘されていた日本の電力業界全般における根本的な問題だとする世論がある。

2011年(平成23年)の福島第一原子力発電所事故に次いで、日本の原子力発電所における原子炉危険性があるとの指摘がなされたため、原子力発電所の発電が相次いで停止に追い込まれた。これによって日本各地で電力不足状態となり、東京電力発電所の被災により輪番停電を実施した事から、様々な悪影響も発生した。北海道電力中部電力関西電力四国電力九州電力も、電力不足を理由にした節電呼びかけや警告を行っている。この電力不足の原因を、東西で電源周波数が異なる事による融通可能な電力量の少なさとする意見がある。

こうした中、2013年2月に東清水変電所が30万kWの本格運用を開始し、東西間で融通できる電力は120万kWとなった。

周波数の精度

商用周波数で稼働する交流モータや電熱機器を使用している需要家に於いて、電源(商用)周波数の変動はモータトルクやヒータ出力の変動に直結し工業製品の製造工程の安定性や品質に直結する為、高精度で安定した周波数での供給が求められている。しかし、島国である日本は他国との系統連係が無い上に国内で二分されているため、系統内の容量が小さく周波数変動が発生しやすい。

実際の系統ではタービン出力が一定であれば「電力需要が減少した時は回転速度が高くなり周波数と電圧の上昇」、逆に「電力需要が増加した時は回転数が低くなり周波数と電圧の低下」と言う現象が起きている。電力会社は数分単位の「短時間変動」と30分単位の「長時間変動」に対し発電機の出力調整などを行い周波数の安定を図っている。日本での周波数の調整方法には「定周波数制御方式」、「定連系線潮流制御方式」、「周波数バイアス連系線潮流制御方式」、「選択周波数制御方式」がある。なお、出力調整に失敗し周波数が一定の調整範囲を逸脱した場合、発電所は系統から解列される(切り離される)ため停電が発生する。(発生例:1987年7月23日首都圏大停電、2018年9月6日北海道胆振東部地震による大規模停電)

世界各国の商用電源周波数

世界の商用電源周波数 「100V、50Hz」は、電圧が100ボルトで周波数が50ヘルツである地域の色を示す

50Hz・60Hz併用国

60Hz

電化製品について

主な電気製品の周波数の対応についての一般例を挙げる。

50Hzでも60Hzでもそのまま使えるもの

そのまま利用可能であるが、性能が多少変化するもの(誘導電動機のため)

誘導電動機は回転数・トルクは周波数に比例し消費電力は電源の周波数の比の自乗に比例する。ただし、インバータを内蔵している機器では、インバータを経由して電動機に電力が供給されるため、電源周波数による性能の変化はないが内部の整流電圧が60Hzのほうが高くなるため変換効率は50Hzより良好である(60Hzなら出力がわずかに上がり、50Hzなら出力がわずかに落ちる)。

コンプレッサの能力は周波数に応じて変化するが、冷蔵庫はサーモスタットによって一定の温度を保つように制御することが前提の装置であるから、実用上の影響は少ない。
周波数によって風量に差が出る
冷蔵庫と同様。スイッチを入れてから目的の温度に到達するまでの時間に差が出る。
水流の強さに差が出る(60Hzのほうが水流は強く、汚れが落ちやすいかわりに布痛みが進みやすい)が、実際の製品は、インバータ方式でなくても電源周波数に応じて制御用マイコンで電動機を回している時間を加減するように作られている。このため、1回の洗濯にかかる実際の洗濯時間や消費電力量は大差ない。初期の二曹式洗濯機では、機械式タイマーの目盛りが二重に印刷されており、使用する人は自分の地区に合わせて、洗濯時間を設定するようになっていた。

周波数が違うと利用できないもの

インバータ内蔵製品・50/60Hz切替スイッチ付の製品は下記に当てはまらない。なお、現在市販されている家電製品では殆どに対策が施されており、50/60Hzの違いに関係なく使える。

電源周波数に同期して動作するもの

特定の電源周波数専用に設計製造されたもの

備考

上記のように、電化製品には電源周波数を指定して設計・製造されているものがある。このような製品では、周波数の異なる地域で利用する際には部品交換や改修が必要となる。また、改修に対応できず、買い換えを余儀なくされることもある(製品によっては改修するより新規購入の方が安価である場合も考えられる)。

なお、最近の電子レンジや蛍光灯照明器具などの製品には、高効率化・低消費電力化などを目的にインバータを用いて製品内部で周波数変換しているものも多くある。これらは一般に電源周波数に関係なく使用できる(いわゆる「ヘルツフリー」)。

このため、引越し(例えば東京から大阪)の際には、利用している製品の表示(銘板)や取扱説明書で対応周波数を確認し、引越し後にそのまま利用できるか、あるいは改修が必要か確認することが重要である。「50/60Hz」と記載されていれば、そのままか、あるいは周波数切り替えスイッチで切り替えることで、どちらの周波数でも利用できる。

電動機を搭載した機器の場合、50Hz・200V、60Hz 200/220Vという表記をしたものが一般的であるが、極まれに60Hz・200V時に起動不良問題が起こる。これはコイルのインピーダンスが周波数に反比例し入力電流が減少し、起動トルクが低下するためである。電源電圧を220Vに近くする、プーリーやギヤ比を換える、あるいは60Hz用に設計した機器を使うなどの配慮が必要である。

なお、乗用車などで交流100Vの家電品を使用可能にする車載用インバータ(DC12/24V→AC100Vへの変換器)の中には、比較的小出力(概ね300W以下)のものには、電源周波数55Hzのものも多いが、これは国内の商用電源周波数50Hzと60Hzの中間を取っており、比較的低消費電力の製品(おおむね150W以下で、ノートパソコンや小型のテレビ・照明・ゲーム機・電気カミソリなどの低電力の理美容器具など)で、50/60Hz表示の製品に限って使用するなどの条件がある。

脚注

  1. ^ 門井龍太郎、電気の周波数と電圧(世界・日本) 電氣學會雜誌 1991年 111巻 12号 p.1011-1014, doi:10.11526/ieejjournal1888.111.1011
  2. ^ 日本で上市されている電力量計には周波数共用で計量法検定対応のものは無い。
  3. ^ 沖縄電力は、電力系統が他電力会社と連系していない単独系統であるため。電力系統も参照のこと。
  4. ^ 2011年現在仮運用中、設計30万kW
  5. ^ 東日本大震災:東西の電力会社間「電力融通」に限界 毎日新聞2011年3月14日 Archived 2011年3月17日, at the Wayback Machine.
  6. ^ エネ庁が電力供給対策 周波数変換設備など増強 電気新聞2011年4月11日
  7. ^ 東京電力、輪番停電を実施へ 1都8県を5グループに、3時間ずつITmedia News
  8. ^ 電力不足、節電の動き各地に広がる TBS News i 2011年3月13日
  9. ^ 中部電力:東電管内向けに送電能力を増強--東清水変電所 毎日新聞2013年2月18日
  10. ^ 周波数変動の需要家への影響の実例 (PDF) 東京電力(株)
  11. ^ 阪神・淡路大震災の当日、関西電力管内の周波数が60.45Hzまで瞬間的に上昇した。
  12. ^ 周波数調整・需給運用ルール (PDF) 東京電力
  13. ^ インターネット電力講座-電力の需給運用と周波数調整 東京電力、アーカイブ版。
  14. ^ 定連系線潮流制御方 (PDF) 宮田明則技術士事務所
  15. ^ 周波数バイアス連系線潮流制御方式
  16. ^ 入江寛:大容量風力発電導入時における需要家ヒートポンプ給湯器と蓄電池の協調による系統周波数制御 学術研究データベース・リポジトリ
  17. ^ 電力会社における周波数調整と会社間連系について (PDF) 平成15年9月12日 東京電力(株)
  18. ^ 平常時系統運用指針(2012年(平成24年)7月1日実施) (PDF) 中部電力
  19. ^ 給電運用ルール (PDF) 沖縄電力

関連項目

外部リンク

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出典:wikipedia
2018/09/21 04:30

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