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

    2−4−1 直流電動機の使い方

   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

 かご形誘導電動機は3相交流動力電源に直接接続して、運転することが出来ます。電動機の電流を入り、切り出来るスイッチがあれば、電動機を運転することが出来ますので、最も経済的な電動機の適用方法と言えます。かご形誘導電動機自体も構造的にシンプルで、ブラッシなどもなく、堅牢で、安価です。また、インバータなどを介して運転するより、運転損失が小さく、効率が高いと言えます。依って、小容量から1000kWを超える大容量電動機にも用いられております。最近、電車などで、VVVFインバータでかご形誘導電動機を運転する用途も多く見受けられるようになりましたが、この電動機の本来は3相交流電源に直接接続して、始動、加速して、電動機トルクと負荷トルクがバランスした一定の回転数で運転することにあります。このように、3相交流電源に直接接続して始動する方式を日本語で直入(じかいれ)始動と言い、英語でDirect-On-Line、略してDOLと称しますが 、これも一般的に用いられます。      

             

                    図2.16 かご形誘導電動機の直入始動

 図2.16はかご形誘導電動機の直入始動の概念図です。コンタクタにより、3相交流電源に接続して、始動、加速し、連続運転をします。

           

   図2.17 かご形誘導電動機のスリップートルク曲線(s−Tカーブ)、スリップー電流曲線(s−Iカーブ)

 かご形誘導電動機が停止状態(すべり1)から始動、加速し、連続運転に入るまでのすべりと発生トルク、電動機電流の関係を図2.17に示します。これらは、すべりートルク曲線、すべりー電流曲線と称し、電動機の特性を表し、負荷機械を駆動した電動機の適用を計画する重要なデータになります。

 誘導電動機の回転周波数は電源周波数より少し遅くして、2次かごのバーに磁束が横切り、2次電流を流し、これが直流電動機、同期電動機の電機子電流と同じ、トルクに比例した負荷電流になり、トルクを発生致します。

 電動機が電源周波数と同じ周波数で回転する回転数-同期回転数を、電動機の回転数をとするとすべりs

                   

で表します。依って、回転数0、すなわち、停止状態ではすべりsは1となり、同期回転数で回転している状態ではすべりsは0になります。誘導電動機の回転数は

               

になります。すべりsが1では回転数は0%、すべりsが0では同期回転数-電動機回転数100%になります。

すべりs=1,電動機が停まっている状態でもトルクは発生します。回転子のかごのバーは磁束が横切り、2次電流が流れ、1次巻線からの主磁束と交わり、トルクが発生します。これを始動トルクと言います。しかし、2次側にも電源周波数がかかりますので、リアクタンスが大幅に増え、たくさんの遅れ無効電力が発生し、電源に流れ出します。このため、始動時の1次電流、始動電流は極めて大きくなります。図2.17の例では、定格電流の600%、6倍にもなります。

 直入始動によるかご形誘導電動機の始動→加速→運転のプロセスを図2.17をベースに説明しましょう。

図2.16に示す、コンタクタ(電磁接触器)を入れます。停まっているかご形誘導電動機には始動トルクA0が発生し、始動電流B0が3相電源に流れます。電動機が加速するには、負荷と電動機を加速するには、これらの慣性モーメントに相当する加速トルクACCが必要になります。

                

 かご形誘導電動機を直入始動し、加速する場合、電動機発生トルク負荷トルク(負荷が要求するトルク)の差が加速トルクとなり、電動機と負荷 機械を加速します。この為、常に電動機発生トルク負荷トルクである必要があります。電動機発生トルクはあるすべりで最大になり、これからの小さいすべりの領域では、ほぼ一定の励磁電流とトルクに比例した電流(トルク分電流)のベクトル加算となり、トルク分電流とすべりはほぼ比例して減少します。

 電動機発生トルクはA→A、電動機1次電流はB0→Bと推移し、電動機発生トルクと負荷トルクが等しくな る、すべりCで、加速は終了し、一定回転数で運転に入ります。すべりCは負荷の大きさで変り、定格負荷では0.05以下と小さくなり、無負荷ではすべりは 0になります。直入始動では、定格電流の6倍もの電流が電源と電動機に流れますので、電源系統の電圧降下と電動機のストレスについて、充分検討する必要があります。

 3相交流電源系統の電圧降下

  始動時に電源系統に流れ込む電動機1次電流はほぼ遅れ無効電力ですので、系統の容量を示す遮断電流に対する割合で電圧降下の大きさを概略、算定することが出来ます。

     

電圧降下の許容値は系統により異なりますが、通常、2〜5%程度と考えられます。

 電動機に対する影響

 電動機にも始動時には約6倍もの大きな電流が流れますので、運転方法、負荷の性質を充分考慮して、検討する必要があります。

 かご形誘導電動機の寿命は始動回数により決まります。通常、汎用電動機(アルミダイキャストロータ)で、5万回、それ以外で、15,000回と言われておりますが、始動間隔が短い場合は、電動機に熱がたまり、電動機の許容温度上昇を超えることが考えられます。基本的に、直入始動を行うかご形誘導電動機は頻繁な始動、停止を繰り返す用途には適さないと考えるべきでしょう。

 また、負荷機械の慣性モーメントが過大なものが、稀にあります(大型送風機など)。この場合、加速時間は長くなり、大きな電流が長い時間電動機に流れ、電動機の許容熱容量を超え、過熱して、破損に至ることがあります。かご形誘導電動機の仕様には許容慣性モーメントが記載されていますので、これを超えた負荷機械の駆動に は直入始動は適用出来ません。

 低圧3相交流動力電源は現在では440Vです。おおよそ最大150kWまで、直入 始動が可能 な系統が多いようですので、通常使う電動機のほとんどは、直入始動で廻すこと出来ると考えられます。低圧440V系統で直入始動が出来ない容量のものは高圧(3.3kVもしくは6,6kV)かご形誘導電動機の適用が考えられます。

適用時にはその系統の遮断電流と適用する電動機の始動電流から電圧降下を概略算定出来ますが、直入始動ではどうしても、規定の電圧降下以下にならない場合、減電圧始動の適用を検討せねばなりません。通常、1000kWを超える 高圧電動機の場合に適用されることが多いと考えられますが、高圧動力電源系統がなく、低圧440Vで何とか、始動したいという場合などにも用いられることがあります。

 減電圧始動

 直入始動では始動電流による電源電圧降下が大きくなり、許容値に入らない場合、始動時、電動機1次電圧を低くして、始動電流を抑える始動方法ー減電圧始動方式の適用を検討せねばなりません。

     

                      図2.18 減電圧始動

 図2.18に減電圧始動方式を示します。(a)に示す直入始動に比べ、複雑になり、高価になりますが、動力電源系統の電圧降下は、同じ系統に接続している機器に影響を及ぼしますので、避けねばなりません。

 (b)のリアクトル駆動は始動用リアクトルで、電源電圧を低減し、電動機に与えるものです。コンタクタCtt1を閉じ、コンタクタCtt2を開にして、 始動用リアクトルを接続して、電動機1次電圧を低減させます。始動完了後、コンタクタCtt2を閉じ、連続運転に入ります。

(c)は始動補償器と称する単巻変圧器で電圧を下げます。コンタクタCtt1Ctti3を閉じ、コンタクタCtt2を開にして単巻変圧器で電動機1次電 圧を低くします。始動完了後、単巻変圧器をただちにCtt2を入れ 、電源に接続しますと、変圧器と動力電源系統の間に若干の位相差があるため、電動機に過渡電流を流し、好ましくない影響を与えることがありますので、先ずCtt3を開き、変圧器の中性点を開放し、リアクトルとして作用 させ、過渡電流を抑えた後、Ctt2を閉じ、連続運転に入ります。コンドルファ始動方式はリアクトル方式に比べても高価であり、極めて大容量のかご形誘導電動機もしくは、大容量同期電動機の誘導機始動に もっぱら使われます。

 始動リアクトルや始動補償器には80%、65%、50%などの減電圧タップがあり、減電圧時の電源に流れる電流と始動トルクを検討し、タップを選びます。

 減電圧タップを%、電動機始動電流isとすると電源に与える始動電流iss

 リアクトル始動の場合

      

 コンドルファ始動の場合

       

となります。

減電圧タップを%、電動機始動トルクをTsとすると、減電圧時の始動トルクTss

       

となります。これは、リアクトル始動、コンドルファ始動とも変わりません。

 減電圧タップ80%の場合

   始動方式       始動トルク   始動時電源に流れる始動電流
   直入始動         100%            100%   
  リアクトル始動    (80/100)x100=64%    (80/100)x100=80%
  コンドルファ始動     (80/100)x100=64%    (80/100)x100=64%

となります。

リアクトル、コンドルファ始動とも、電動機発生トルクは減電圧比の2乗で減少しますので、先ず、この発生トルクが負荷トルクより、静止時も含めて大きいことを確認せねばなりません。

電源に流れる始動電流は、リアクトル始動では減電圧比に比例して減少するのに対し、コンドルファ始動では減電圧比の2乗に比例して、減少しますので、電源電圧降下は小さくなります。コンドルファ始動方式は高価になりますので、リアクトル始動で、電源電圧降下の 許容値に入らない場合、コンドルファ始動の適用を考えます。

      

        図2.18 減電圧始動(80%タップ)時のスリップートルク、スリップー電流特性

 図2.18にリアクトル始動、コンドルファ始動適用時のスリップートルク、スリップー電流特性を示します。タイマー或いは電流をチェックし、加速がほぼ完了した時点で、電源に電動機を直結し、運転に入ります。図2.18では電流がB'、トルクA'になったところで、電源に直結しております。 80%減電圧時の発生トルクも始動時から、全領域で負荷トルクより、大きくなっておりますので、80%減電圧始動でも、この電動機を始動、加速出来ることが確認出来ます。 リアクトル始動での始動時に電源に流れ込む電流での電源電圧降下が許容値以下であれば、80%減電圧タップで、リアクトル始動が適用出来ます。もし、電圧降下が規定値を超える場合、65%減電圧タップ にすることを検討します。この場合でも始動トルクが負荷トルクより充分大きく、65%減電圧時の始動電流での電源電圧降下は許容値以下になれば、リアクトル始動方式を適用し ます。許容値に入らなければ、さらに低い減電圧タップを考え、始動トルクと電源電圧許容値満足するかを検討します。この結果が満足出来ない場合はコンドルファ始動を検討せねばなりません。         

           

              図2.19 低圧かご形誘導電動機の直入始動回路の一例

 図2.19は低圧440Vのかご形誘導電動機の直入始動回路の一例で、各始動回路(フィーダ)には電動機を電源に投入するコンタクタCttだけでなく、MCCBとTH-Ryが直列に入っております。MCCB Moulded Case Circuit Breaker)はNFB(ノ―ヒューズ・ブレーカ)とも俗に言われるもので、低圧遮断器です。電動機もしくはその配線が短絡した場合、ただちに回路から切り離 すものです(短絡保護ー瞬時保護)。TH-RyThermal Relay)-熱動継電器は電動機に過負荷電流が流れた場合、作動し、Cttで回路から電動機を切り離します(過負荷保護ー限時保護)。このように、始動回路には保護機能も備えております。この例では多数の直入低圧電動機が存在して いる場合で、 各始動回路が引き出し状のユニットに纏められ、複数のユニットをキュービクルに収納したモータコントロールセンタを適用しております。数が少ない場合には個々の始動回路を纏めたものもありますが、これら も保護機能は備えられております。

     

 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

   2次電圧制御
         
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

(2012-10-11)作成 

 

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