1.電気と電動機の基本
 1−1 直流と交流

   (1) 直流   

 あらまし(要点)

 まず、直流で考えましょう!交流でも基本的には同じで、発電機、電動機の原理も一緒です。

1.直流電源が発する電圧が負荷抵抗にかかり、電流が流れます。

    電力は電圧×電流です。(オームの法則)

2.発電機は磁束を横切るコイルに電圧(起電力)が発生する原理によります。

  電動機は磁束を横切るコイルに電流を流せば、そのコイルに力が発生する原理によります。

3.コイルを円筒の回転体の周囲に取り付け、電磁石から発生する磁束の間に置き、これをディーゼル

  エンジン等で廻せば、コイルに電圧が発生します。

  この電圧は半回転(180°)廻ると+、−が入れ換わります。このため、回転体に180°廻ると

  切り替わる回転スイッチを設け、常に一方向の電圧、つまり、直流電圧が取りだせるようにしたもの

  が直流発電機です。

  直流電動機はこの回転スイッチに直流電圧をかけ、コイルに電流を流すと回転体の周囲に力が発生

  します。

4.電動機にも電圧(起電力)は発生します。その大きさは回転数に比例します。回転数が高くなると

  それに比例して、コイルが磁束を切る回数が増えるからです。

5. この電圧(起電力)よりわずかに大きい電圧を外部より与えれば、電動機に電流が流れ込み、

  結合された機械が必要とするトルク(回転力)を出し、起電力に比例した回転数で廻ります。

     トルク(回転力)=回転体の接線方向の力 × 回転体の半径  

 

      昔の電気機関車は機関士がコントローラを手動で動かし、電流計を見ながら、加速して行きました。はじめにたくさん

   の抵抗器を入れ、段々抜いてゆきました。少し早く、抵抗を抜きますと電流が大きくなり、ブレーカーが飛んでしまい

   ます。これは、加速途中の回転数に相当する電圧(起電力)より高い電圧を与えてしまったからです。

   電動機のコイルの抵抗は極めて小さいので、オームの法則 によれば、極めて大きな電流が流れることになります。

   しかし、電動機が廻り始め、コイルが磁束を切ると電圧(起電力)が発生します。電動機には電動機の抵抗での

   電圧降下分だけ高い電圧を与えます。

       

   これは電車や電気機関車の抵抗制御の概略原理図です。始めはたくさんの抵抗器を入れ、架線直流電圧からごく低い

   電圧にして電動機に与えます。それに相当する電圧(起電力)を電動機が出し、電動機が廻り始めます。

   次に電動機の内部抵抗のドロップ分だけコントローラを動かし、抵抗の短絡スイッチを入れて、抵抗を抜くことにより、

   高い電圧を電動機に与え、電動機の速度は上がります。

   これを繰り返すことにより、電車や電気機関車は大きな電流が流れることなく、加速します。


  電池の+,−間に豆電球をつないだ懐中電灯を考えましょう。

電球には抵抗(R)があります。電池の電圧(V)から電球の抵抗(R)に向かって電流(I)が流れます。

          
                        図1.1 直流回路

 電流(I)は
      
     


 で表されます。これは中学の理科以来、御馴染みの電気の最も基本のオームの法則です。単位は

電圧、V-ボルト、電流、A―アンペア、抵抗、Ω−オームです。
 電力Pは

                     
      
で表されます。単位はW−ワットです。

例えば、100ワットの電球に100ボルトの電圧を加えると1アンペアの電流が流れ、電球の抵抗は100オーム

と言うことになります。

 訂正と謝辞

 Maeda様からご指摘を頂き、訂正致しました。ご指摘感謝致します。今回は極めてシンプルなミスで、タイプミスとしてお許し願います。

 このサイトは電気の概念を簡単につかんで頂くため、文献や論文を出来るだけ、参照しないで、作っております。

 ご意見、お気づきのことがありましたら、何なりとご連絡頂きたくお願い致します。

 

   直流発電機と直流電動機

エジソンが最初に電気を実用化したのは直流でした。直流電源としては、電池、バッテリーを使うこともありますが、大きな電力を必要とするときは発電機が使用されます。 エジソンの発電機は蒸気機関か、水車で廻されたことと思います。

 発電機の基本的な原理として、磁束を横切る導体(電気を通す銅などの線)を移動させると、この導体に電圧が生じる現象が挙げられます。

                      

                                              図1.2 起電力と力の発生

 

 磁石Sと磁石Nの間には磁気の束、磁束が発生します。これと交わった導体を動かせば、導体に電圧が発生します。この電圧を起電力と言います。電力と言っても、新たに導体 に起こった電圧です。英語Electro Motive Forceを直訳したので、このような紛らわしい技術用語になってしまったようです。この現象を応用して、回転体の周辺に導体(コイル)を設け、磁石(磁極)S,Nから発生する磁束の間を、ディーゼルエンジンなどで、廻します。コイルに発生した起電力は180°廻ると、+、−が逆になりますので、回転体と一緒に廻るスイッチで切り替えなければなりません。同じ構造で、外部の直流電源にこの回転スイッチをつないで、導体に電流を流せば、導体に力が起こり、軸につないだ負荷機械を廻すことが出来ます。

          

                    図1.3 直流電動機の基本構造

 

 図1.3に直流電動機の基本的な構造を示します。磁極の間に発生する磁束に交わるロの字形の導体の一端を開き回転する金属の円筒を接続しています。この金属の円筒は半周に絶縁物(電気を通さない物)を入れ、上半分と下半分は絶縁されており、それぞれ、導体 の端が接続されています。金属の円筒と導体はひとつの軸に取り付けられており回転します。金属円筒の上に接触し、すべるブラッシを設け、これに直流電源をつなぎ、導体に電流を流しますと、導体に力が発生し、導体と金属円筒が回転致します。この軸に負荷機械をつなぎ、廻します。

 この軸をディーゼルエンジンなどで廻してやると、回転円筒とブラシを通して、直流電圧(起電力)が供給されます。磁束、電流、力、回転方向、起電力の方向はフレミングの法則で与えられます。このように、直流発電機と直流電動機は同じものです。使い方が異なるだけです。

        

                    図1.4 直流発電機と直流電動機

 

 図1.4は直流発電機に1台の直流電動機を接続した場合を示します。発電機、電動機共、提灯のようなシンボルは回転する部分ー回転子を示します。楕円形の部分は図1.3では導体として説明されているもので、実際には磁束の通りを良くする鉄心の上にコイルとして巻かれております。これを電機子(アマチュァ)と言います。上下のヘタのようなものは図1.3で金属円筒とブラシとして述べられている回転スイッチで、整流子(コミュテータ)と言います。実際には導体すなわち電機子コイルがたくさんあり、整流子もセグメント(相互に絶縁された金属摺動部分)がたくさんあります。電機子には磁束Φが交わっております。これは、別の直流電源から励磁電流Ifで、電磁石を励磁され作られます。図にはひとつしか書かれておりませんが、実際にはS極とN極が対峙しており、これが幾つか、あります。

 ディーゼルエンジンなどで、発電機を回転させますと、起電力Eが発生します。これから、発電機内部抵抗で降下した発電機出力電圧Vを電動機に与えます。電動機も起電力EMを発生します。電動機の場合は特に、逆起電力、或いは反抗起電力と称されることがあります。EよりEMを電動機のΦの調整で低くすると、電動機に電流Iaが流れ込み、負荷機械を廻します。

 電動機は電機子巻線に磁束が交わる回数により、起電力が大きくなります。これは起電力が電動機回転数に比例することになります。 

                                 

 内部抵抗の降下分が小さいので、回転数と電機子電圧も比例すると言えます。依って、電圧を変えることにより回転数を簡単に変えることが出来るので、回転数を変える必要がある用途には、もっぱら直流電動機が使われて来ました。機械動力PはトルクTと回転数Nとの積ですので、電気動力とは次の関係になります。

            

NとVは比例しますので、トルクTと電機子電流Iは比例します。依って、負荷トルクの大きさに比例して、電機子電流は変わります。ここで、トルクという言葉が出て来ました。

                  

  トルクTは回転体の半径rと接線方向の力Fの積

                 

です。回転体の力を表すものですが、電動機の大きさはトルクにほぼ比例します。 トルクは回転力とも言い、電動機のような回転体が出す力として、重要な量です。電車でも車輪が接線方向の力をレールに対し、出して走ります。車輪も回転していますので、それに繋がっている電動機のトルクがレールに対し出す力、そのものと言えます。しかし、電動機と車輪の間にはギァが入っておりますので、この作用により、大きく、変わります。この詳細は別項でお話致します。

 

  (2)交流       

 あらまし(要点)

1.直流発電機の回転スイッチを除き、コイルに誘起する電圧を取りだしたものが交流です。半回転毎に

  +、−を繰り返し、サインカーブを描きます。(交流発電機)これと同じ電圧をコイルに与え、同じ

  タイミング(同相)の電流がコイルに流れれば、コイルに力が発生します。( 交流電動機)

2.交流は+、−が繰り返されますので、電圧から電流を遅らせるインダクタンス、逆に電圧から電流

  を進ませるキャパシタンスの影響を受けます。インダクタンスは電流を90°遅らせ、キャパシタンス

  は電流を90°進ませます。抵抗は電圧と電流は同相になります。

3.普通の回路には抵抗(R)、インダクタンス(L)、キャパシタンス(C)が共に存在しますので、

  電圧に対し、電流は ズレます。電圧、電圧共+、もしくは共に−のタイミングでは電動機はトルク

  を発生します。これを有効電力と称します。

  電圧が+、電流が−、あるいはこの逆のタイミングでは電気回路上には電力は発生しますが、

  電動機はトルクを発生しませんので機械動力は0です。これを無効電力と言います。

  電圧と電流の単なる積を皮相電力と言い、発電機やトランスの必要容量になります。

4.皮相電力に対する有効電力の割合を力率と称します。

5.有効電力を生じさせる電流は有効電流と言います。

  無効電力は遅れ無効電力と進み無効電力に分けられ、遅れ無効電力を発生させるのは遅れ無効

  電流、進み無効電力を発生させるのは進み無効電流です。

  遅れ無効電流は回路の電圧を降下させます。進み無効電流は回路の電圧を上昇させます。

  電気回路上にはインダクタンスが極めて多いので、回路(系統)電圧の降下が問題になりますので

  これを改善するためキャパシタンスを持っているコンデンサを設けます。

6.無効電力の発生というマイナスもありますが、交流の誘導作用を応用したトランス(変圧器)で

  電圧を送電の為に上げることが出来ますので、通常使用されるのは交流になりました。

 

 

         

                              図1.5 交流発電(電動)機の基本構造

 

 図1.5は図1.3の直流機の原理図から180°でコイルの方向が切り替わるスイッチ(整流子)を取ったものです。このコイルを外力で回転させますと、U-V間に180°毎に+、−と方向が変わる電圧が現れます。U-V間に負荷抵抗を接続しますと、電圧と同じタイミングで180°毎に方向が変わる電流が コイルに流れます。これが、交流(単相)です。

          
                   図1.6 UV間に現れる電圧と電流

 

この電圧を受けて、同じタイミングで同じ方向に電流が流れる場合は、直流と同じく、パワー(電力)を負荷を与えますので、電灯や電熱のような抵抗負荷の場合、直流とほぼ同じです。

図1.5の回転機を電動機として、運転するため、U-V間に図1.6(a)の電圧をかけると、(b)の電流が流れ、コイルにTの一方向のトルクが発生します。直流電動機の場合、直流電圧を整流子を通して、 コイルに与えますが、交流電動機の場合、コイルに与えられるのが交流電圧ということが出来ます。このように、発電機から整流子を省き、

コイルから発生する交流を送り、同じく、整流子を通さず交流を電動機コイルに与えることで、直流電動機と同じく、一定方向のトルクを発生します。
(実際の直流電動機が多くの電機子コイルを有しているように、交流電動機でも単相では電動機の全周に均一なトルクを発生することは出来ません。このため、3相交流が登場します 。)

交流でもオームの法則は成り立ちますが、その扱いはやや複雑になります。

 

             

                     図1.7 R、L、C回路

 

直流回路では電流を決めるのは抵抗Rのみでしたが、交流回路ではインダクタンスL、キャパシタンスCも存在します。

         

                         図1.8 R負荷の時の電圧と電流

 

抵抗R回路には電圧と同じタイミングで電流の+、−が切り替わります。電流は電圧と同相となります。

          

                       図1.9 L負荷の時の電圧と電流

 

ンダクタンスLに流れる電流は電圧より90°遅れます。インダクタンスはリアクトルのようなコイルが有していますが、電線、ケーブルなどにもあります。電圧から90°電流を遅らせるものをインダクタンスと定義したといっても良いかもしれません。
            

                       図1.10 C負荷の時の電圧と電流

 

キャパシタンスCに流れる電流は電圧より90°進みます。キャパシタンスはコンデンサが有していますが、、ケーブルなどにもあります。電圧から90°電流を進ませるものをキャパシタンスと定義したといっても良いかもしれません。実際の交流回路にはR,L,Cが単独に存在していることは少なく、R,L,Cともに回路上に有しています。

         

図1.11 R,L,C負荷の時の電圧と電流

 

 一般的に交流回路にはインダクタンスが多く存在しますので、電流は電圧に対し遅れます。図1.11は電流がα°だけ電圧から遅れた場合を示します。
 図1.11の緑の部分は電流、電圧とも+ですので、電動機が負荷機械に与える動力になる電力として働きますが、赤の部分は電圧が+、電流が−ですので、動力になる電力としては働きません。電圧がーの場合、電流が同じくーであれば負荷に与える動力になる電力として働きます。

 交流の瞬時値、最大値、実効値
 交流電圧、電流の値はサインカーブ(正弦波)で変わります。この値を瞬時値と称し、そのピーク値を最大値と言います。しかし、電力を考えるとき、実効値を使います。電圧の最大値をV
m
、電流の最大値を Imとすれば、電圧の実効値Ve、電流の実効値Ie は

       


 

 

 となります。これは交流電圧、電流の半周期の面積に相当します。通常、交流電圧、電流はこの値が使われます。家庭用の100Vも実効値です。   

   皮相電力、有効電力、無効電力
 直流の電力は電圧と電流の積で与えられますが、交流の場合、回路にインダクタンス分があり、電流が遅れますので、皮相電力P
A、有効電力PE 、無効電力PQ の3つがあります。各々

                                     


で表されます。αは図1.11にある遅れ位相角です。
 有効電力P
E は図1.11の緑の電圧、電流、すなわち、同じ方向の電圧、電流の積で、機械動力に相当する電力です。無効電力PQ は、図1.11の赤の電圧、電流、すなわち、電圧、電流の方向が逆の部分の積で、機械動力は0になります。これは電気回路のみに存在し、なんの仕事もしない正に無駄な電力ですが、交流回路にインダクタンスがある限り、存在します。稀ですが、コンデンサが回路に接続されたキャパシタンス分の多い交流回路では、電流は電圧に対して進みますので、進み無効電力が発生します。これに対し、インダクタンスによるものを遅れ無効電力と称します。発電機や変圧器の容量は皮相電力PA で決まります。
 皮相電力P
A  に対する有効電力PE の割合を力率Pfと言います。

     

 で表されます。
 無効電力が発生せず、電圧に対し電流が遅れない(同相)場合はPf=1になりますが、交流回路には必ずインダクタンスがありますから、このようにはなりません。電力事業者は皮相電力により、発電機の容量が決まりますので、需要者側が 力率を出来るだけ高く保つように、大口需要者とは、高い力率に保つことにより、電力料金を安く設定します。このような場合、需要者はコンデンサを設け、進み無効電力を交流回路に与え、その包含しているインダクタンスによる遅れ無効電力と相殺し、所定力率に保ちます。

 有効電流、遅れ無効電流、進み無効電力
交流電流は有効電流 、遅れ無効電流 、進み無効電力 に分けることができます。
有効電流は電圧と同相、遅れ無効電流 は90°遅れ、進み無効電力 は90°進み位相で流れます。これらは有効電流は抵抗Rに流れ、遅れ無効電力はインダクタンスLに流れ、電圧を降下させます。進み無効電力はキャパシタンスCに流れ込み電圧を上昇させます。
 電力系統にはトランスやケーブルの多くのインダクタンス分があり、遅れ無効電力による電圧降下が問題になります。誘導電動機からも多くの遅れ無効電流が発生しますので、電力系統の管理の大きな目的にひとつは遅れ無効電力を減らし、系統の許容電圧変動以内に収めることと言えます。 

 

 交流回路に於けるR、L、Cの作用

交流電流は、有効電流 、遅れ無効電流 、進み無効電流 に分けることができます。
有効電流 は電圧と同じ相、遅れ無効電交流 は90°遅れ、進み無効電力 は90°進み位相で流れます。これらは抵抗R、インダクタンスL、キャパシタンスCと以下の関係にあります。

                      

 

有効電流IEはRと、遅れ無効電流IQはXLと、進み無効電流ICはXCと、オームの法則が適用できます。そして、遅れ無効電 流IQで発生する電圧VeL は系統電圧を降下させ、進み無効電流ICで発生するVeCは 系統電圧を上昇させます。

 通常、R、L,Cは交流回路に全て含まれますので、抵抗R、誘導リアクタンスXL、容量リアクタンスXCをベクトル的に加算されたものをインピーダンスZと称します。R,C,Lが直列の時のインピーダンスは

          

で算定されます。 誘導リアクタンスは周波数との積になりますので、電源系統のインピーダンスはほとんどが誘導リアクタンスとなり、負荷から発生する遅れ無効電力による電圧ドロップが電源系統管理の大きな課題になります。

 

 (3)何故、交流が主になったのか?

 以上述べたように交流では無効電力のような無駄なものが発生するのに、何故、世の中の電気が交流になったのか? これはひとえに交流ではトランス(変圧器)で、電圧を上げて、効率よく、大きな電力を遠くに送り、使うところでは、使いやすい電圧に落とすことが出来るからです。

              

            図1.12 トランス(変圧器)基本原理

 

 コイルにはインダクタンスがありますので、これに電流を流すと周辺に磁束が発生します。この発生した磁束に交わるように他のコイルを置きますとこのコイルに起電力が発生します。図1.12の1次コイル の電圧V1に交流電圧をかけると発生した磁束と交わる2次コイルには1次と2次コイルの巻数比による2次電圧V2が発生します。これは回転する磁束が2次コイルに交わらねば、駄目で、直流ではなり立ちません。巻数比が2倍であれば2次には1次電圧の2倍の電圧が発生します。

 エジソンのもとで働いていたテスラが交流を主張しましたが、エジソンは頑として直流にこだわり、直流発電機を直列につないだりして、直流での送電を実現しようと思いましたが、うまく行かず、テスラはエジソンのもとを去り、交流の電気システムを実現しました。

 

 1−2 3相交流

   1−3 電力の送電、配電(電力系統)と動力電源系統

2.電動機とその使い方
  2−1 電動機(モータ)はどのように廻り、力(回転力)を出すのか?
  2−2 電動機と負荷機械

  2−3 電動機の顔ぶれ

    2−3−1 電動機の種類

    2−3−2 直流電動機
     2−3−3 同期電動機       

         2−3−4 誘導電動機

            かご形誘導電動機

             巻線形誘導電動機

  2−4 電動機の使い方

       2−4−1 直流電動機の使い方

      抵抗始動(抵抗制御)

      可変電圧制御ーレオナード

         ワードレオナード

         静止レオナード(水銀整流器)

         サイリスタレオナード

     2−4−2 かご形誘導電動機の使い方
       3相交流動力電源に直接接続して始動、運転をする
       可変電圧可変周波数(VVVF)電源による回転数制御
     2−4−3 巻線形誘導電動機の使い方
     2−4−4 同期電動機の使い方
       3相交流電源に直接接続して始動、運転をする  
       可変電圧可変周波数(VVVF)電源による回転数制御

 

    2−5 主な電動機の速度制御装置の比較

  


(2012-3-28)作成 (2012-6-23)改訂

 

に戻る