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

       可変電圧可変周波数(VVVF)装置による回転数制御

  最近の電車や電気機関車にはVVVFインバータが使われております。これは、誘導電動機の電圧と周波数を変えて、誘導電動機の回転数を変えるもので、VVVFVariable Voltage Variable Frequency の略です。(インバータは直流を交流に変える変換器を意味します。)

 誘導電動機の回転数n

        

で表されます。sはすべりと称し、

         

です。ここで、n0は同期回転数(1次周波数の回転数で、無負荷時の回転数)ですので、静止状態ではs=1、 定格回転数の無負荷状態で、s=0になります。一定電圧の3相交流電源に直接接続して、始動するときは、電動機発生トルクと負荷トルクの差を加速トルクとして、電動機をを加速させますが、これに伴い、すべりsもシフトしますが、連続運転出来るのは、すべりsの小さな定格回転数でのみです。後述する巻線形誘導電動機の2次抵抗を調整して、すべりsを変えて、回転数を制御出来ますが、損失が大きく、今では、殆ど、使われません。

周波数fを変えて、回転数を制御する方法は、広い範囲の回転数を損失の増加を伴わず制御する方法で、インバータの普及により、電動機の可変速システムの主役になりました。

しかし、周波数と共に電動機電圧も変えねばなりません。例えば、440V-60Hz4極電動機は1800rpmで回転しますが、これをVVVFで900rpmで運転する場合、周波数を30Hzにするとともに、電圧も220Vにせねばなりません。これは磁束を一定にする必要があるからです。すなわち、電圧V、周波数をV/f 比=一定の関係に保ち、磁束を一定に保つというのは電動機のみならず、変圧器なども含めた電気機械運転の大鉄則と言えます。以下に、誘導電動機の原理も含め、簡単に説明致します。

      

                 図2.20 VVVFで運転するかご形誘導電動機の基本原理図

 図2.20にかご形誘導電動機の動作を表す簡単な回路を示します。電動機の中がこのようになっていると仮定した回路で、等価回路と称し、単相 で表します。これは少し省略したものですが、これをベースに動作原理を考えましょう。いずれの電動機も磁束の中を横切っている導体に駆動する負荷に必要な負荷電流が流れた時、この導体に力が発生し(フレミングの法則)、回転体の周辺にこの導体を配置すると、この回転体にトルク(回転力)が発生し、回転します。磁束を発生する電磁石(もしくが永久磁石)と、負荷電流が流れる導体(コイル)が別になっているものが、直流電動機や同期電動機で、負荷電流が流れるコイルを電機子と言います。これに対し、誘導電動機は負荷電流と共に磁束を発生させる電流も一緒に固定子(1次)コイルから供給されます。主磁束Φは励磁リアクタンスX0に励磁分電流i0が流れ込み発生します。運転したい回転数に比例した1次周波数に負荷トルクに比例したすべり周波数fsを加えた周波数をVVVFから与えます。すべり周波数fsは1次周波数とすべりの積で、すべりsは無負荷で0ですので、fsも0になります。負荷が掛ると2次回転子の回転数がfsに比例して遅くなり、かごのバー(導体に)が1次が発生する磁束Φを切り、2次かごに電圧を誘起し、かごが短絡していますので、2次電流iが流れます。これが負荷電流で負荷トルクに比例致します。

 励磁分電流i0

       

で算定されます。リアクタンスは直流回路の抵抗と同じで、オームの法則が適用できます。しかし、リアクタンスは周波数に比例して変化します。ここで、Eは1次誘起起電力、 L0は励磁インダクタンスで電動機個体の定数、πはお馴染みの円周率3.14です。(2.13)式は

      

と書き直すことができます。E1/fの比率が一定であれば、励磁電流0が一定になり、一定の磁束が発生します。

は電動機1次電圧とほぼ同じですので、V/f=一定と一般的に言われます。V/f比を小さくすると、磁束が少なくなります。電動機電圧が定格電圧に達すると、一定にキープし、周波数のみを上げると、このような状態になります。いわゆる界磁弱めになります。

          

                   図2.21 VVVFで運転するかご形誘導電動機の 特性

電動機電圧と周波数V/f比を一定にして、増加させますと、回転数に関わらず、負荷の要求により、定格トルクを最大としたトルクが得られます。これを定トルク特性と言います。この範囲の回転数では、要求される負荷トルクに対し、回転数に関係なく同じ負荷電流iが流れ、それに応じたトルクが発生します。例えば、電車の場合、低速時には大きなトルクを必要としますので、速度が低い範囲では定トルク特性を保ちます。速度が高くなると、必要なトルクが小さくなりますので、電動機電圧を定格電圧にキープして、周波数だけを増加させ、界磁弱めにして、電車の速度を上げます。電動機出力(動力)は増加しないので、電動機を大きくしないで、スピードアップ出来る賢い方法です。

 逆に、電圧だけを上げますと、磁束が増加します。日本ではJIS規格などで、過電圧を+10%まで許容していますが、それを超え、電圧を上げますと、磁束飽和という状態になります。トルクや磁束にならない大きな電流が電動機に流れ、焼損してしまいます。V/f比=一定を保つことは電動機の保護にも重要な役目を持っております。

 V/f比一定(オープンループ)制御とベクトル制御

 VVVF電源は交流発電機でも実現でき、パワー半導体が実用化されない時代には、実際に使われたケースもありましたが、現在では、IGBTなどのパワー半導体を使ったインバータ(直流ー交流変換器)がもっぱら適用されるようになりましたので、一般的にVVVFインバータとも称されております。しかし、VVVFはあくまで「可変電圧可変周波数電源」ですので、これを制御する必要があります。

 もっとも単純で今まで多く使われて来たのが、必要な回転数にあった電圧と周波数をVVVFに設定するV/f比一定(オープンループ)制御です。電車にもこの方式が使われ来ましたが、VVVFの最低電圧/周波数は5%程度ですので、電車が最も力を必要とする停止状態から動き出す時に、抵抗制御のようにステップ的に電圧/周波数を電動機に与えますので、電動機の持てる力を充分発揮出来ませんでした。

 そこで、登場したのがベクトル制御です。図2.20に示した励磁分電流i0と負荷電流(トルク分電流)iから必要な1次電流iを求めVVVFにインプットし、必要なトルクを直ぐ出せるようにしたものです。i0iは90°位相が異なり、これらのベクトル和でiが求めます。電動機に付けた速度センサーと必要な速度指令に依り、速度制御を行い、その出力が必要なトルクに比例しますので、これにより必要なiを求めます。また、iはf+fsで廻りますので、負荷トルクに比例したすべり周波数fsもこれから算定せねばなりません。しかし、電車の場合、1台のVVVFインバータで4〜8台の電動機を駆動しておりますので、その平均電動機速度を仮定し、制御せざるを得ませんので、静止時から始動には充分な力を出来ない恐れがあります。

京浜急行2100形にはS社のベクトル制御が採用されており、始動時にはインバータは妙なるメロディを奏でると鉄道ファンに評判になっております。

はーさんの推定ですが、これは電車の動く前に予備励磁をかけている時の音ではないかと思います。予備励磁とは、回転する前に予め、励磁分電流i0を流しておき、動きはじめに充分なトルクを発生しようとするものです。

 ベクトル制御に対しては項を改め詳細に説明することにしますので、ここではこの程度にしておきたいと思います。  

 

 

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

(2012-12-26)作成 

 

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