電気機器Ⅱ - nihon...
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電気機器Ⅱ
電気電子工学科 乾成里
出典
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６．７ 誘導電動機の運転
６．７．１ 始動法 P.206
Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ（誘導電動機）
【利点】 定速度
ブラシ・整流子が不要
→ 構造が簡単 → 安価
→ 静穏
→ 耐久性
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【欠点】 始動時に、
電流大，トルク小 （図６．２８ 速度特性）
始動時の対策を考えましょう。
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（１）全電圧始動，直入ぢかいれ
図６．２８ 速度特性
→負荷トルクが小さいなら、これで動いちゃう。
電源に余裕があれば。
２００Ｖ以下，５ｋＷ以下の小さいモータ
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（２）Ｙ－Δ始動
３．７～１０ｋＷ程度のモータ
切り替えは，図６．３６
始動時 運転時
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電流１／３
トルク１／３
出典：
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（３）始動補償器
３年生のエネルギー機器実験で現用。
単巻変圧器 図５．４６(p.197)低電圧で始動後に定格電圧に。
τ ∝ Ｖ２
大容量（１５ｋＷ以上）， 高圧機
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（４）インバータ
３年生のエネルギー機器実験でやる（かも）。
現在，普及している方法。
６．５．３の周波数特性を活用。（図６．３１）
電流が大きく変化しない → トルクがほぼ一定。
インバータ（可変電圧，可変周波数の電源）利用。
Ｖ /ｆ を一定に維持して，電圧Ｖをゆっくり上げる。
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クローリング crawling
始動時の異常現象
回転数が上昇せず，大電流が流れ続ける
→ 焼 損
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トルク曲線の鞍部に落ち着いてしまう。
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対策：斜めスロット（スキュー skew）
隙間は鉄心
図６．３ ２次導体と短絡環（ショートリング）
これの左右のリングをネジって，導体を斜めにする。
(P.199)
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こんな具合に。
図６．１(p.173)
提供：
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６．７．２ 可変速運転 p.208
回転速度 Ｎ ＝（１－ｓ）Ｎｓ ［ｒｐｍ］
１２０ｆ同期速度Ｎｓ ＝
ｐ
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Ｎ を変えるために，極数ｐ ，周波数ｆ， すべりｓ
Ｖ１２ τ
すべりｓ …… 負荷トルク＝発生トルクτ
Ｖ１２ に比例
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（１）極数切替え式 P.208
１２０ｆＮ ≒ Ｎｓ ＝
ｐ ｐ 可変
但し，極数ｐは連続値ではない。
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（２）電圧制御方式 P.208
電圧 低 → 電流 小 → トルク 小
なので，可変範囲は狭い。
（一方、直流電動機では．．．．．）
電圧可変方法
・単巻変圧器（P.166）・サイリスタ（図６．３７）
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モータへ供給電源電圧 される電圧
図６．３８ サイリスタによる位相制御 P.209
実効値 式６．６３
αが ０→Ｔ／２ と大きくなると，Ｖ が小さくなる。
（電圧波形の面積が小さくなる。）
V = V mT2 T/2
αsin yt 2dt
TT/2TT/2
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（３）周波数制御方式 P.208図６．３１を利用。
インバータが安価になってきたので，現在の主流。
１２０ｆ ｆ 可変Ｎ ≒ Ｎｓ ＝
ｐ
整流 インバータDC AC
AC 50, 60 [Hz] f, V が任意V=100, 200, …[V]
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図６．３０ Ｖ 一定 (p.201)
ｆ 高 → τｍａｘ 低下
図６．３１ Ｖ／ｆ 一定（ｆ高 → Ｖ高）
ｆ 高 → τｍａｘ ほぼ一定
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（４）３相インバータの例 P.209
図６．３９ P.211
トランジスタ２個 → １相
３相 → 合計６個
Ｔ１～Ｔ６の ＯＮ／ＯＦＦ タイミングで
ａ相巻線ｂ相巻線 各々に，どちら向きの電流を流すか。ｃ相巻線
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図６．４０ P.211
(a)Ｔ１～Ｔ６ ＯＮ／ＯＦＦ のタイミング
１２０°ずつ順番に
(b)Ｖａ ，Ｖｂ ，Ｖｃ ａ相，ｂ相，ｃ相の相電圧
１２０°の位相差
(c)Ｖａｂ，Ｖｂｃ，Ｖｃａ 直流電源の電圧が
そのまま線間電圧
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(d)Ｖａｂ 線間電圧の基本波
Ｖｂｃ 線間電圧の基本波 位相差１２０°
Ｖｃａ 線間電圧の基本波 の交流
階段状の電圧波形 図６．４０(c)→巻線の電流は高調波成分が低減され，
正弦波に近くなる。
∵巻線(コイル)は，インダクタンスを持つ。
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☆巻線は，インダクタンスを持つので，
→電流断時に高電圧を発生。
→トランジスタが壊れる。
フライホイールダイオードが，
→スイッチング素子を保護する。
→巻線が自ら電流を流して，トルクを確保する。
☆ＰＷＭインバータ
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６．７．３ 電気制動と誘導発電機 P.210
・急停止
・ブレーキをかけながら，ゆっくり動かす。
・機械的ブレーキ…減速。止めておく。
電気的には，
SM, StM 定点保持可能通電要
IM 閉ループ制御
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（１）プラッギング
回転磁界の回転方向を逆転
（Ｕ，Ｖ，Ｗのどれか２線を入替）
Ｎｓ → －Ｎｓ 逆相
逆方向のトルクが発生し，ブレーキになる。
速度０になったら，すぐに電源ＯＦＦ。
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（２）発電制動
直流 ＤＣ（ｆ＝０Ｈｚ）印加
回転エネルギー↓
電気エネルギー↓
２次側で熱になる。
直流磁界内で導体が動く→渦電流が発生
電流と磁界でブレーキ力
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（３ー１）誘導発電機
Ｎ＞Ｎｓ になると，誘導発電機＊２になる。
＊２：誘導発電機 風力発電（小形）などで便利に使える。
系統連係が容易。（vs. 系統の安定性…）
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（３ー２）回生制動 （インバータドライブにおける電気制動）
Ｎ＞Ｎｓとなるように，周波数ｆを低下 → 発電
回転エネルギーで発電
電源へ返す→他の負荷で使う。
抵抗で熱にする。
キャパシタ(コンデンサ)に蓄えて，始動時に利用。
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発電制動に比較して，エネルギーの有効利用になる。
受け取ってくれる負荷が都合良くあれば，良いけど。
コンデンサ：価格，経年劣化，…
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６．７．４ 制御 P.212
ベクトル制御
インバータ制御の高性能化
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☆他励直流モータ（直流分巻電動機）では，
界磁電流→界磁磁束トルク
電機子電流
個別に与える
Ｍ
＋
－－
＋
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☆誘導モータでは，
界磁電流と電機子電流のどちらも一次電流に含む。
→負荷変動時など，速応性が悪い。
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Ｉ１＝Ｉ０＋Ｉ２’ 機械的な慣性などのため，． ． ．
応答が遅い。
Ｖ１ Ｉ１
． ．
ゆっくり変化
Ｉ１
．
(a)電源電圧一定 出典 海老原：電気機器，共立出版, Fig.6.47, p.187
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Ｖ１
．
Ｖ１
．
Ｉ１
．
(b)電圧が変化 出典 海老原：電気機器，共立出, Fig.6.47, p.187
必要な(目標の)Ｉ０とＩ２’のベクトル合成Ｉ１を流そう。． ． ．
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出典 海老原：電気機器，共立出版, Fig.6.51, p.190
１ｄ一定
１ｑ
変化
大
小
トルク
↓ １ｑ
１ｄ↓
→ １
磁束を発生（励磁）
トルクを発生
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出典 海老原：電気機器，共立出版,
Fig.6.52,p.191
ｔ１＜ｔ２≪ｔ３
ゆっくり変化
すばやく変化
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ベクトル制御により
・速応性（過渡特性）が向上する。
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制御で使いやすいモータの設計
動作原理： 一般のモータと同じ。
慣性 小となるように設計
トルク 大
慣性を小さく。
細く。
空心にして軽く（トルクは低下するけど）。トルクを確保。
回転しを長くして，ギャップ面積（一次側と二次側が対向する面積）を広く。
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図６．４１
AC DC AC IM指令
インバータ
制御部回転数,角度,トルクセンサ
f=50, 60Hz f, V：任意
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・ＩＭには，すべりｓがある。しかし，回転数Ｎが，
まったく変化しないように，
フィードバック制御をかけたりする。
・トルクτが，思い通りになるように，
フィードバック制御をかけたりする。
・回転角度（位置）が，思い通りになるように，
フィードバック制御をかけたりする。
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・暴れるモータでも、制御をかけて押さえ込むことは
できる。
でも、
・元々のスペックが、お望みのスペックに近いと、
制御が軽くなる。
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６．８ 特性の改善
P.212
かご形ＩＭ
利点 ほぼ定速
簡単な構造 →安価，軽量，小型，堅牢
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欠点 始動特性（Ｉｓ大，τｓ小）
↓
改善 等価回路（図６．２５, p.196）の ｒ２
始動時 大きく
運転時 小さく
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Ｉｓの低下 τｓの増加
図 特性の改善
出典 海老原：電気機器，共立出版, Fig.6.60, p. 196
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深みぞ形 と 二重かご形
始動時 外側導体…高抵抗(Ｉｓ小,τｓ大)
運転時 内側導体…低抵抗
巻線形では，外部抵抗で実現
始動時は，Ｎ＝０，ｓ＝１
→ ｆ２＝ｆ１ ∴ｆ２高
∵ｆ２＝ｓ×ｆ１
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(１)深みぞ形
図６．４２
スロット内漏れリアクタンスによる表皮効果
始動時 ｆ２高 → δ小 → 外側に二次電流
→ 二次抵抗が高くなる。
運転時 ｆ２低 → δ大 → 内側にも２次電流
→ 二次抵抗が低下する。
二次導体
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（２）二重かご形
図６．４３外側 Ｒ大
内側 Ｒ小，リアクタンス大
始動時 ｆ２高 → リアクタンスが支配的
∴外側に２次電流
運転時 ｆ２低 → リアクタンス小，Ｒが支配的
∴抵抗の小さい内側に２次電流
二次導体
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６．９ 単相誘導電動機
P.213
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３相交流の利点
３つの電源 … ６線
中央の３本をまとめる … 中性線
電流の和＝０ ∴電線が不要
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３つの電源 … ３線
三相三線式
三相の利点
・３線ですむ。２線→３線と１線増えると３倍のエネルギーを送ることができる。
・回転磁界 …四相以上でも回転磁界は発生するが，三相でも発生するので，これで充分。
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でも，一般家庭などでは，三相は無いよね。
単相交流だけ。
単相２線式
単相３線式
なんとかならないかなぁ。
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２線 ≠ 単相（一相） … 単相は，二相ではない。
単相では
振動磁界
図６．４５
回転磁界 にはならない。
↓誘導電動機にならない（トルクが発生しない）。
ところが，……
Φ
s[rpm]
φ( ) 振動磁界
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振動磁界は，２つの逆向き回転磁界の合成
（式 6.64～ 6.69）
＝ ＋ ベクトルの足し算をします。
↑ ↑ ↑図６．４５ 図６．４４(a) 図６．４４(b)
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図 6.46 P.215
＋
＝
/80 /4 3 /8 /2 5 /8 3 /4 7 /8
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振動だと思っていたら，実は
回転が二つ入っていた！
６．９．２ 単相誘導電動機のトルク特性 P.215
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図６．４７
P.216
出典 海老原：電気機器，共立出版，Fig.6.59, p.19
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τａを発生する回転磁界 ｓ＝１（静止時）では，
τｂを発生する回転磁界 τａ＋τｂ＝τ＝０
τ＝０ なので，始動できない。
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６．９．３ 単相誘導電動機の始動方法 P.215
しかし，
何らかの方法で ｓ≠１ になれば ｜τ｜＞０ となり，
その方向へ回転し始める。
始動方法 …手で回してもいいんだよ。
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（１）隈取りコイルモータ 図６．４８(a)くま ど
コイルに電流が流れる。→位相がずれた磁束
τｓ小，η低，逆転不可，簡単
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出典 ,p.20
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（２）分相始動モータ 図６．４８(b)
リ Aアクタンス大（位相ずれ）の補助巻線 Aスイッチで始動後に切り離す。
A: Auxiliaryτｓ大，Ｉｓ大
欠点「機械的スイッチ」のメンテナンス
せっかく，ＩＭはブラシなどの接触が無いのに．．．
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（３）コンデンサモータ 図６．４８(c)
補助巻線にコンデンサを入れて，
さらに大きな位相ずれを。
・コンデンサを入れっぱなし。
・コンデンサを始動時のみ。
・始動時と運転時でコンデンサの容量を変える。
利点力率改善（巻線で遅れ vs. コンデンサで進み）欠点コンデンサやスイッチの劣化
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（４）反発始動 図６．４８(d)
ブラシと整流子があり，始動時は直巻モータ。τＳ大。
始動後は，遠心スイッチで整流子が短絡され，巻線型
誘導モータとなる。
３年生のエネルギー機器実験で使う単相誘導モータ：
現在は、このタイプ。
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６．１０ リニア誘導モータ
Linear Induction Motor (LIM)リニア誘導モータ、リニア誘導電動機
６．１０．１ ＬＩＭの構造と動作原理 P.217
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図６．４９
切り広げて平らにするとリニアモータになる．
,τ
固定子,電機子ギャップ
回転子
巻線
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６．２構造と動作原理は と同じ。
６．３
三相交流電流 → 回転 進行磁界 うず電流
推力
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６．１０．２ リニアモータの特徴 P.218
回転モータ →変換→直線運動
リニアモータ → 直線運動
運動変換機構なしで，直線運動。
損失無し。 世の中では，回転運動
高速，高精度，など だけが必要なのではない
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一次側 と 二次側 のどちらが動いてもいい。
（電機子） （界磁） →回転子と固定子可動子
表６．４ 誘導電動機の構成 P.218
固定子 回転子／移動子
回転電機子 ２次導体
モータ
リニア 電機子 ２次導体モータ ２次導体 電機子
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６．１０．３ リニアモータの応用例 P.218
これらの特長を生かして：
交通，搬送，ステージ，プロッタ（製図機），…
歯ブラシ，シェーバー，マッサージャー，…
コンプレッサ，エレベータ，ポンプ，…
：
：
ＬＩＭ，ＬＳＭ，ＬＤＭ，ＬＳｔＭ 他
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例えば，工場の生産機械では，
・ワイヤ･ボンディング
・ピック･アンド･プレース
（プリント基板への部品の挿入，など）
・液晶パネルや半導体の製造装置
・工作機械
・などなど。
多自由度モータ
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（１）地下鉄
図６．５０ 推力：ＬＩＭ
支持・案内：鉄車輪
一次側（電機子）＝可動子
図６．５１
回転形 ＬＩＭ
車高：低 → トンネル：小 → 建設コスト：低
【例】地下鉄大江戸線(東京)，鶴見緑地線(大阪)，…
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（２）高速鉄道
・高速だと，車輪は，空転する。
→リニアモータ
・高速だと，車輪は，耐えられない。
→磁気浮上→非接触で力を伝えるには，
・高速だと，パンタグラフは，耐えられない。
→車上のモータ(電機子)へ電力を供給できない。↓
地上に電機子
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リニアモーターカーの例：
中央新幹線［ＬＳＭ］ＪＲ東海，鉄道総研
2027年 東京－名古屋
2045年 名古屋－大阪
出 典 ：
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:JR_Central_SCMaglev_L0_Series_Shinkansen_201408081006.jpg
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ＨＳＳＴ 名鉄，（ＪＡＬ）→愛知高速鉄道 Linimo
出典：http://www.chubu.jida.or.jp/stock/topics/image_/seminar_linimo/linimo_sharyographic.jpg
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Trans Rapid ドイツの技術
中国・上海 空港のアクセス
出典：
https://commons.wikimedia.org/wiki
/File:Transrapid-emsland.jpg
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Swiss(減圧トンネル)KoreaUS
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（３）エレベータ
屋上に機械室なし
図６．５２
従来のエレベータ リニアエレベータ
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ＬＩＭは非接触。力を伝えるのに「摩擦」は不要。車輪では空転するような，急勾配でも可。
垂直にすると，ロープレスエレベータ・エレベータシャフトと床面積
→１シャフトに多くの"のりかご(客室)"
図６．５３
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・ロープ自体の重量で，ロープが切れないように → さらに太いロープを。
エレベータのワイヤーロープは，
５０ｋｍが自重の限度だそうです。
日本大学新聞 2008.12.20, p.2
図６．５４
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（４）ポンプ
二次側は導体 → 熔融金属や海水ようゆう
リニア電磁ポンプ
Linear Electromagnetic Pump(LEP)
機械式ポンプとは異なり，
ポンプが高温液体に触れない。高信頼性
可動部品がない。
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適用例：
☆製鉄
「熔融した鉄」を攪拌する。ようゆう こうはん
☆ジェット推進船
交流モータ ＬＥＰで海水を噴射
直流モータ フレミングの左手則で海水を噴射
噴射の反動で推進。
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☆液体ナトリウムのポンプ
・パイプの外側にトロイダルコイル。
・パイプの断面形状を変えないので
→応力腐食の心配が減る。
・モータの発熱をナトリウムへ回収
→η向上
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☆はんだポンプ（自動はんだ付け装置） 図６．５５
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☆板ガラス製造 図６．５６
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☆強化ガラスの製造 図６．５７
高温ガラスを急冷
熔融錫
錫：冷却能は高いが，スズ
ガラスに弾かれる。
どうやって沈めるか。
－錫に働く下向きの重力を打ち消すように上向きの力をかける。→ 軽くなる。
－ガラスは絶縁物なので、 沈む。ＬＩＭから力(推力)を受けない。
ガラス
ＬＩＭ錫(スズ)
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試験，がんばって。