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かご形三相誘導電動機とは三相交流で回転磁界を生成し、導体の両端を総て短絡した「かご型構造」のかご形回転子を利用した電動機(すなわち三相誘導電動機)である。

総磁束が鉄心の飽和磁束に規定されるので、巻線の誘起電圧は回転数に比例し、これに負荷電流による巻線の電圧降下を加えたものが端子電圧になる。

この特性に合わせ、瞬時の回転数に比例した電圧と周波数の交流電圧を生成すれば高効率で優れた特性の速度制御方式となり、大電力半導体素子の出現した現在ではインバータ方式と呼ばれ、小型高効率のため急速に切り替わっている。

従前は任意の周波数と電圧を自由に生成することが極めて困難で、商用周波数電源で運転することから様々の制約を受けて、簡易的な起動法を用い、低起動トルクのため大きなモータを使っていた。教科書・専門書の解説・解析はほとんどこの固定周波数を前提に記述されているので、可変周波数動作ではスベリ率をスベリ周波数に直して考察するなど適切な変換が必要となる。

◆ 特徴

・ 単相誘導電動機と異なり、回転磁界をつくるための装置が不要(三相交流だけで回転磁界を発生させることができる)。

・ 巻線形三相誘導電動機や整流子電動機と比べた場合、

  ・ 構造が単純で安価である。

  ・ 回転子に絶縁部がなく高熱に耐えるので高速域の過負荷に強い。

  ・ ブラシやスリップリングのような摩耗・接触通電部分がないため、保守が簡単で堅牢(数年間の連続運転が可能)。

  ・ 反面、始動トルクが小さく回転速度の調整範囲が狭い。

・ 巻線形誘導電動機に比べ、始動トルクが小さく、大型機では始動時の突入電流を抑制するための始動装置(後述)が必要。

◆ 商用周波数での始動法

◇ 直入始動法

定格電圧をそのまま投入する方法。特徴は、

・ 電動機外付けの始動装置が不要であり安価である。

・ 始動電流が非常に大きい。

・ 始動トルクが比較的大きい。

・ 他の負荷への影響が大きい。

など。

・ 小型の電動機には広く用いられている。

・ 中大型の電動機でも、他の負荷への影響や、固定子巻線の始動電流や始動中の電動機の温度上昇が許容できるならこの方法がよい。

・ 中大型のかご形三相誘導電動機で直入始動法を用いる場合、始動電流抑制や始動トルク向上などのため、特殊かご形回転子が用いられる場合がある。これは、回転子を横切る磁界の周波数が始動時は高く、回転数が上がると低くなることを利用し、始動時に回転子回路(二次回路)の抵抗が高くなるような回転子構造とすることにより、始動電流の抑制や始動トルクの増大を図るものである。特殊かご形回転子は、構造により深みぞかご形と二重かご形に分類される。

直入始動法を用いることができない場合は、以下に示す減電圧始動法が用いられる。

◇ スターデルタ始動法

始動時に電動機の一次巻線をスター結線として投入し、一定時間経過後にデルタ結線とする。5.5kW以上の電動機で軽負荷または無負荷始動のもの。あるいは送風機などの強-弱切り替えにも使われる。特徴は、

・ 外付けの始動装置が不要であり、減電圧始動法の中では一番安価である。

・ 始動電流が全電圧始動法の3分の1となる。

・ 始動トルクが小さい。

・ 切換時にショックがある。

・ 電気に関する専門知識の乏しい者が点検・保守をすると、始動用と運転用の電磁接触器を同時投入させたり、配線ミスで電源短絡事故を起こすので注意を要する。

◇ リアクトル始動法 / クザ始動法

始動時に電動機の一次巻線と直列にリアクトルを挿入し、起動後に短絡する。なお、一次巻線のうち1相または2相のみにリアクトルまたは抵抗器を挿入するものはクザ始動と呼ばれ、リアクトル始動法の簡易版と言えるものである。ポンプ・ファンなどの2乗低減トルク負荷のクッションスタート用として用いられる。特徴は、

・ 始動電流のわりに始動トルクが小さい。

・ 始動装置は抵抗やリアクトルであり、変圧器を用いるコンドルファ法などに比べれば低コスト。

◇ コンドルファ法

V結線の単巻変圧器を使用して電圧を下げて始動し、起動後に全電圧を投入する。始動電流を特に抑えたい場合に使われる。特徴は、

・ 始動装置が変圧器であり、リアクトル始動やクザ始動よりも高価である。

・ 始動電流のわりに始動トルクが小さい。

・ 始動から運転への切換え時のショックが少ない。

◇ 極数切換法

固定子コイルの接続を切換えることにより磁界の回転数を変化させ、始動特性の調節や回転子の速度制御を行うもの。

  ・ 段階的な速度制御となる(極数が倍になると、速度は約半分となる)。

  ・ 高頻度の速度切替には不適。

◆ 可変周波数起動法

始動と速度制御とを兼ねる方法である。

・ インバータ法、可変電圧可変周波数制御: 交流入力を大電力半導体素子など(サイリスタ、水銀整流器等)を用いたコンバータ / インバータにより回転数に応じた周波数・比例した電圧の交流に変換し、速度を調整するもの。

  ・ 高起動トルク、高効率で小型モータを採用できる

  ・ 滑らかな速度制御が可能で、運転中に連続的な速度制御が必要な場合に有用。

  ・ 通常の電動機を使用可である場合が多く、既設改造に適する。

  ・ 高調波対策が必要。

  ・ トルク脈動による部分共振が発生する場合がある。

  ・ インバータ故障時商用電源直結運転可能な回路構成にする方法が一般的であるが、大容量機では減電圧始動系の起動回路を併設する必要がある

〔参考:火力原子力発電必携(社)火力原子力発電技術協会〕

◆ 関連項目

・ かご形三相誘導発電機

・ 巻線形三相誘導電動機

・ 電磁開閉器

◆ 外部リンク

・ [外部リンク] 低圧かご形誘導電動機の始動法 (ECCJ)

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