1.電気と電動機の基本
 1−1 直流と交流

 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(トルク)を出すのか?
     
   →電動機の基本原理と性質
 

 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

  電動機をどのようにして廻すか?のお話をしましょう。大きく2つの方法に分けられます。

 電源にスイッチでつなぎ、始動し、定格回転数で廻す方法

  最もシンプルなものですが、直流電動機では、直流電源を必要とし、始動抵抗器が必要なので、安価とは

  言えません。

  同期電動機は定格回転数以外ではトルクを発生しませんので、始動には特別な考慮をせねばなりません。

  これに対し、誘導電動機、特にかご形誘導電動機は3相交流動力系統にスイッチでつなぐだけで、始動、加速

  して、定格回転数で廻り続けます。つなぎ込む3相交流動力系統の大きさや負荷機械の特性により、特別な

  始動方法を必要とすることもあり、始動が出来ないものも稀にはあります。また、頻繁に始動(停止)するもの

  には電動機の加熱やストレスが大きくなり適用出来ません。しかし、汎用電動機と言われる37kW以下

  のものはこのかご形誘導電動機であり、通常、スイッチひとつで、始動、そのまま回転するもっとも、シンプル

  で安価に機械を駆動することが出来ます。このため、0.4kW以上の産業用電動機のほとんどはこのかご形

  誘導電動機と言っても良いかと思います。

  巻線形誘導電動機は2次側に抵抗をつなぎ、これを調整することにより、慣性モーメントが大きく、始動に時間

  がかかる負荷機械(主に、大型送風機)の駆動に用いられます。また、頻繁に始動、停止を繰り返す用途、

     例えばクレーンなどに使われておりました。

 電圧(&周波数)を変える変換器で回転数を制御する方法

  直流電動機は可変直流変換装置により、電機子電圧を変え、回転数を制御出来ます。これが、長い間、最も

  一般的な電動機の回転数の制御方法でした。

  直流電動機では、整流子(コミュテータ)により、周波数を変えて電機子コイルに与えていましたが、交流

  電動機ではこの周波数を変えるのも外部の変換器で行うので、可変電圧可変周波数装置(VVVF)が必要に

  なります。 いろいろな方式のVVVFが1975年ごろより、実用化され、大容量電動機への適用がなされまし

  たが一般的ではありませんでした。やがて自分でOn-Off出来るパワー半導体の出現により、VVVFは、広い

  用途で使われるようになりました。

  このため、現在では、整流子(コミュテータ)の保守に手がかかり、回転数や製作可能容量に限界のある

  直流電動機は新たに製作されなくなり、回転数を制御せねばならない用途にも、誘導電動機や同期電動機

  が用いられるようになってきました。 

  しかし、電動機の回転数やトルクの制御は直流電動機の制御方式がベースになっておりますので、先ず、直流

  電動機の使い方、駆動方式に付いて、お話したいと思います。

  2−4−1 直流電動機の使い方

  抵抗始動(抵抗制御)

  一定電圧直流電源で、直流電動機を廻すとき、電機子に直列の抵抗をつなぎ、これを徐々に短絡してゆくことで 始動し、所定の回転数まで加速させる方式で、共通の直流電源で多くの直流電動機を経済的に廻すために始動頻度の大きいクレーンなどにも用いられて来ましたが、もっとも、遅くまで使われて来たのが電鉄です。

        

                     図2.10 電車の抵抗始動の原理図

 図2.10に電車の抵抗始動の概念を示します。 コントローラ(制御器)で電機子電流を一定値以下に抑えながら抵抗を短絡してゆき、電車を加速します。抵抗の切り替え段数を増やしたり、電機子電流を検出し、所定値以下になると抵抗を短絡して行く、自動加速などいろいろ工夫はありましたが、抵抗の損失、制御器のメンテなどの問題があり、現在新製される電車には適用されなくなりました。

 可変電圧制御ーレオナード

 電機子電圧を可変直流電圧電源により回転数を変えるのが「レオナード」方式です。

これは回転数を0速度から定格回転数まで、自由に無段階で変えることができ、所定のトルクを発生出来る電動機の回転数制御システム(ドライブシステムと言います)です。可変直流電圧電源として、直流発電機から水銀整流器、サイリスタ 変換器と進化して行きました。可変電圧可変周波数電源装置(VVVF)が普及し、交流電動機の回転数制御が容易になり、その性能を「レオナード」と等価もしくはそれ以上に出来るベクトル制御の出現により、直流電動機と「レオナード」は歴史的なものになってしまいました。しかし、交流電動機の回転数制御の機能、性能 もこの「レオナード」を基本としておりますので、これを充分理解しておく必要があります。

  ワードレオナード

 直流発電機の界磁を調整して、直流電動機の電機子電圧を変え速度を制御するものです。 古くから、精密な回転数制御が要求される圧延機、抄紙機、各種連続処理ラインなどに用いられて来ました。

       

                    図2.11 ワードレオナード方式

 図2.11にワードレオナードの基本構成を示します。直流電動機に可変直流電圧を直流発電機により与えます。直流発電機は交流電動機で、一定回転数で廻されております。発電機の出力電圧(誘起起電力Eg)は磁束に比例しますので、界磁電流IfGを小さくすれば、磁束は減り、出力電圧は小さくなります。依って、界磁電流調整器MRHにより、発電機の界磁電流を調整すれば、電動機の速度が調整出来ます。MRHは速度設定器となります。電動機の界磁調整器FRHは電動機の界磁電流IfMを調整します。電動機 が定格電圧に達してから、電圧は一定とし、電動機界磁電流IfMを小さくすれば、電動機速度を更に上げることが出来ます。これを界磁弱めと言います (詳細は後述)。発電機を駆動する交流電動機は大容量のものは同期発電機、中小容量ではかご形誘導電動機が使われます。通常、1台の交流電動機に2台以上の直流発電機が団子状につながっております。これをM-Gsetと呼びますので、ワードレオナードをMGレオナードと言うことがあります。

 オリジナルのワードレオナードはこの図に示す、MRH、FRHのように界磁電流を界磁調整器で直接調整しました。ハンドルを廻し、タップを切り替え、抵抗の量を変え 電動機の速度を変えるものです。パイロットモータで遠隔操作できる電動界磁調整器もありました。 これは、電機子の直列抵抗を切り替える抵抗制御に比べ、損失が格段に小さく、広い範囲での速度で運転出来ました。

 静止レオナード(水銀整流器)

 ワードレオナードのMーGsetはメンテナンスに手がかかり、変換効率も低いので、回転物のない、静止形可変電圧直流電源装置への置き換えが計られて来ました。先ず、水銀整流器適用した静止レオナードが、昭和30年代に出現しました。しかし、水銀整流器を良い状態に保つのは意外に難しく、サイリスタ変換器の出現により、早々に姿を消しました。依って、ここでは、詳しくお話はしないことにします。

 サイリスタレオナード

 第1世代のパワー半導体として、シリコン整流器SR (Silicon Rectifier)が先ず世に出ましたが、これに制御ゲートを付したSCR  (Silicon Controlled Rectifier)が開発、実用化されました。SCRは商品名でしたので、3端子素子を意味するサイリスタという呼称が一般的になりました。サイリスタはゲートにパルスを与えますと、電流が流れますが、ゲートパルスでオフには出来ません。これを交流電源に同期して、少し、遅れて、パルスを出すと、電流がONになり、電源の交流が0になった時、オフになります。このように、交流位相より少し遅れて、ゲートパルスを出し続けると、電源の交流を整流し、直流に変換するとともに、その大きさも同時に変えることが出来ます。可変直流電源装置としては、うってつけのものでした。

 

                                       図2,12 サイリスタレオナード

サイリスタは通常、3相全波整流を行い、3相交流を直流に変換し、位相遅れ制御(α制御)を行い、直流電圧を変えています。電動機が負荷機械を電動機として廻している時はサイリスタコンバータで、3相交流電源より、 電動機に電流が流れています。負荷機械に廻され、電動機が発電機として動作する時は、電動機から3相交流電源に向かい電流を流さねばなりません。このときは、サイリスタが逆向きのブリッジ、サイリスタインバータを経て、3相交流電源に流れます。しかし、電動機の回転方向は電動機動作の時と同じですので、電圧 は電動機動作の時と同じ+方向です。依ってインバータで電流を逆に流す時は位相進み制御(β制御)を行います。このサイリスタの動作は一寸分かりにくいと思いますので、別 に詳しく解説を致します。

      「サイリスタの遅れ位相制御(α制御)と進み位相制御(β制御)」(作成中)

 サイリスタレオナードは可変直流電源を完全に半導体変換器に置き換えたもので、直流電動機の駆動装置の最後を飾ったものと言えます。ワードレオナードでも、発電機の界磁電流制御に、いろいろな増幅器、例えば、回転増幅器、真空管増幅器、磁気増幅器などを使い、速度制御のようなフィードバック制御が行われて来ました。サイリスタレオナードではそれが、より高度化し、トランジスタ増幅器、アナログIC、ディジタルICなどの適用を経て、CPU(マイクロプロセッサ)による全ディジタル制御化もなされました。このように制御用品は進化、高度化し、性能も上がりましたが、直流電動機のレオナード方式、フィードバック制御の考え方、機能は変っておらず、多様な負荷機械の要求を満たしております。

 直流電動機のレオナード方式、フィードバック制御

 電動機の速度(回転数)を検出し、このフィードバック信号と、速度設定信号を突き合わせ、設定した速度で、負荷の大きさにかかわらず、一定の速度で廻るように自動制御するものです。

            

                       図2.13 サイリスタレオナードの速度制御

 図2.13にサイリスタレオナードの電動機の速度制御の原理図です。電動機に結合した速度検出器で電動機の回転数を検出し、このフィードバック信号と速度設定器からの信号との差で速度制御を行います。そのアウトプットでサイリスタの遅れ位相制御(α制御)もしくは進み位相制御で、サイリスタ変換器の出力電圧を変え、電動機の速度を調整します。

 主な直流電動機の制御方式としては

      速度制御

      電圧制御

      電流(トルク)制御

 があります。

         

            

                        図2.14 速度、電圧、電流(トルク)制御の比較

 速度制御は負荷トルクの大きさにかかわらず、設定された速度を電動機は保ちます。直流機の電機子電流は負荷トルクに比例しますので、電流制御を行った場合、電動機速度にかかわらず、設定されたトルクを発生します。

通常、目に触れることはありませんが、鉄などの薄板、紙などの帯状のものの処理を連続的に行う設備があります。(連続処理ライン) これは多数のロールで、帯状の材料をある速度で送るとともに、材料に張力をかける必要があります。あるロールを駆動する電動機は速度制御を行い、材料の速度を決めるとともに、他のロールを駆動する電動機はトルク制御を行い、材料に一定の張力を与えます。

 電圧制御は負荷トルクに対し、電動機の内部抵抗と電機子電流の積に相当する速度の降下があります。これを垂下特性と言います。速度検出器が不要なため、安価な適用が出来ることもありますが、他の速度制御を行うロールと協調して運転をする場合に垂下特性で、速度制御を行うロールの速度に合わせる使い方が多く見受けられます。

(このほかの制御方式もありますが、ここでは割愛致します。)

            

                     図2.15 直流電動機の4象限運転

 図2.15はに直流電動機の4つの運転モードを示します。右上は正方向に回転し、負荷に必要なトルクを発生し、負荷機械を駆動します。正転で電動機として働きます(正転力行)。左上は正方向に回転しますが、負荷機械から廻され、発電機として作用し、電源に電流を流しこむ、回生制動になります(正転回生)。左下は逆転での電動機動作(逆転力行)。右下は逆転での発電機動作(逆転回生)です。 これを直流電動機の4象限運転と言います。複数の電動機が材料を介して繋がっている場合は、運転状態に依り、これらのモードが他動的に変ることがありますので速やかに自動的に切り替わる必要があります。これらの全ての範囲で、電機子電流に相当したトルクを直ぐ出す必要があります。

 負荷機械の要求により、必要なトルクを速やかに出すことが出来るということは極めて重要なことで、VVVFで駆動した交流電動機では、難しかったのですが、ベクトル制御の実用化で解決され、直流電動機に完全に置き換わりました。しかし、基本的に要求される機能、性能は直流電動機のレオナード制御が持っていたものと言えます。

           

 可変電圧制御ーチョッパー

 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次抵抗制御

     セルビュース
         
  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

(2013-3-18)改訂

(2012-7-11)作成 

 

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