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電動機|直流電動機、三相誘導電動機と同期電動機の始動方法等の解説

直流電動機の速度制御、誘導電動機と三相誘導電動機の始動方法



直流電動機の速度制御

界磁制御

 界磁電流を変化させることで、速度制御する。
 分巻電動機では直列、直巻電動機では並列に抵抗を入れ、界磁電流を調整する。
 界磁電流を増加させるとやがて、磁路が飽和するので、界磁電流を増加させても回転速度は、低下しなくなる。
 一方、界磁電流を減少させていくと回転速度は上昇していくが、励磁磁束が弱くなりすぎると運転が不安定になったり、整流が不良になったりする。

直流抵抗制御

電機子回路に直列に抵抗を挿入することによって電機子抵抗の値を変化させて、速度を制御する。

 欠点:・軽負荷時、無負荷時には電機子電流が流れていないので、速度制御が困難
  ・抵抗損が大きく、効率が悪い
 ・負荷によって、速度変動がある

電圧制御

他励電動機に適用。

ワードレオナード方式

三相交流(動力)⇒誘導電動機⇒直流発電機で直流電圧を印加し、発電機の界磁電流よりE=kφNで調整し、電動機への速度調整を行う⇒直流電動機
発電機の界磁回路の電流の方向を切り替えるスイッチを設けることにより、電動機の回転方向を逆転させることが可能。

サイリスタレオナード方式

三相交流(動力)⇒サイリスタ整流器⇒直流電動機
サイリスタの点弧角を制御することで、直流電圧、正転・逆転、電動機を停止させるときに電動機が持っている回転エネルギーを電動機へ電気エネルギーとして変換する回生制御が可能。

誘導電動機関連

三相誘導電動機の始動方法

全電圧始動

定格電圧を直接印加する方法。始動時に過大な電流が流れる。

Y-Δ始動

始動時1/√3の電圧を印加し、運転時Δに切り替える方式。

始動補償器

1/a倍の電圧を印加し、途中で切り替える方式。
全電圧に切り替えるとき、切換時のショックが大きいので、切換の途中でリアクトルを挿入して、ショックを和らげる方法をコンドルファ起動方式と呼ぶ。

リアクトル始動

直列リアクトルを挿入して始動し、加速後は短絡する方法。リアクトルにより始動電流を1/aにする。

  Y-Δ始動 始動補償器 リアクトル始動
電流 1/3  1/a^2 1/a
トルク 1/3 1/a^2 1/a^2

 

特殊かご型誘導電動機概要

始動時は、二次周波数f2=s×f1 (始動時S=1)が最大となるので、表皮効果により、外側の抵抗が大きい導体(漏れリアクタンスは小)に電流が流れ、徐々に内側の抵抗が小さい(漏れリアクタンスは大)導体へ流れることで、始動トルクを上げる、力率を上げることが可能。

誘導発電機のメリットデメリット

メリット

  1. かご型誘導電動機を使用するため、安価で堅ろう
  2. 界磁回路用の直流電源装置が不要
  3. 同期を取る必要がない
  4. 系統事故時に系統電圧低下と同時に、界磁電流も低下するため短絡電流の供給元とならない

デメリット

  1. 系統から見ると遅れ力率の悪い負荷
  2. 系統並入時に過大な電流が流れ、電圧降下が発生する
  3. 系統から励磁電流をとるため、単独で運転できない

誘導発電機の用途

電源と誘導電動機の間にインバータを接続し、インバータから電動機に与える周波数を低下させ、同期速度を低下することができるので、電動機の回転系が持つ運動エネルギーを電力回生によって、電源側に変換して、省エネルギーに活用できる。

同期電動機の始動方法

自己始動法

制動巻線を用いることで、かご型誘導電動機と同様に自己始動することができる。

補助電動機始動

補助電動機として、誘導電動機や直流電動機を機械的に接続。補助電動機に電源を与えて、始動させ、同期速度近くなったところで、主機に電圧を印加、同期引き入れさせて運転させる。補助電動機速度>主機回転速度

同期始動

始動用の同期発電機と同期電動機を電気的に接続する。同期電動機を始動するには、同期電動機を速度0から徐々に加速する。同期電動機は、同期発電機の回転速度の上昇に合わせて、回転速度が上昇するので、速度が上昇し、定格速度付近になったところで、主電源に切換、同期投入する。

低周波始動法

同期電動機の電源として、可変周波数電源を用いて、最初に低周波で始動し、同期化させる。同期化した後、しだいに電源の周波数を上げて回転速度を上昇させる。その後、定格速度付近になったところで、主電源に切換、同期投入する。
  
可変周波数電源として、同期発電機を用いる場合は、定格速度の80%程度で回転させておき、端子電圧が60~70%程度になるような励磁を与えて運転しておき、同期電動機を電気的に接続する。

同期電動機を接続すると始動用発電機の速度はいったん低下するが、徐々に加速され、発電機と電動機の回転速度が一定となり同期運転を行う。このあと、電動機に励磁を与えて、定格周波数まで加速して運転する。

低周波始動法は、自己始動と同期始動の組み合わせた始動法であり、子同期に電動機容量の15~20%程度の同期発電機を用いて始動させることができる。

サイリスタ始動法

停止中の同期電動機にあらかじめ励磁を与えておき、サイリスタ周波数変換器によって電動機に与える、電源周波数を0から定格周波数まで可変させて始動する。
サイリスタ始動用の始動装置は静止器であるので、保守が用意であるほか、電力の逆流がができるので電力回生制御が可能で、低速機から高速機まで適用できる。

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