14.三相誘導電動機の分類、始動方法、回転速度、正回転と逆回転、力率改善用コンデンサの説明

第二種電気工事士の筆記試験には、電気理論として、三相誘導電動機の問題が出題されます。

電動機は、直流電動機と交流電動機に分かれ、交流電動機はいくつかありますがその中に三相誘導電動機があります。

三相誘導電動機は、三相かご形誘導電動機が多く普及しており、全電圧始動法、Y－Δ始動法で動かしています。

特に、三相かご形誘導電動機の回転速度を求める計算問題は試験に出題される確率は高いので、公式を覚えて問題を解けれるようにしてください。

このページの目次

電動機の分類

電動機の種類には、直流電源を使ってモータを動かす直流電動機と、交流電源を使ってモータを動かす交流電動機に分類されます。

直流電動機

直流電動機は、フレミングの左手の法則による電磁力を使ってコイルを回転させます。整流子とブラシが接触と不接触を繰り返しながらモーターが回転するのでブラシが摩耗してしまい耐久性に劣ります。

交流電動機

交流電動機は、アゴラの円盤と同じ仕組みを利用して回転磁界を発生させて回転子を回転させます。回転子と固定子が接触せず摩耗しないので耐久性があるのが特徴です。

そして、交流電動機には、同期電動機、整流子電動機、誘導電動機などの種類があり、誘導電動機の中には単相誘導電動機と三相誘導電動機の2つの種類があります。

ここでは、電気工事士の試験によく出題される三相かご形誘導電動機について説明していきます。

三相かご形誘導電動機の始動電流と始動方法

三相かご形誘導電動機は、始動する時に大電流が流れて電動機のコイルに損傷を与えてしまう恐れがあるので、電動機を始動させる時は、主に次の全電圧始動法（直入れ始動法）又はY－Δ始動法（スターデルタ始動法）のどちらかの始動方法を用いて始動させることが普通です。

全電圧始動法

始動時に電動機の定格電圧を投入して始動させる方法です。
始動電流は全負荷電流（定格電流）の5～8倍になるので、小容量（定格出力5kWくらい）の電動機で使われています。
コストは一番安いです。

Y－Δ始動法

始動時はY結線（スター結線）で始動して、電動機の速度が安定したらΔ結線（デルタ結線）に切り替えて電動機を回す始動方法です。
始動電流は全電圧始動法の3分の1倍、始動トルクは全電圧始動法の3分の1倍になるので、定格出力が10kW～15kWで負荷が小さめの電動機に向いています。
コストは全電圧始動法よりも高いです。

始動電流を小さくした始動法を減電圧始動法といい、Y－Δ始動法も減電圧始動法に分類されます。

その他にも減電圧始動法があり、

なども用途に応じで使われます。

交流電動機の回転速度

交流で動く電動機の回転速度（同期速度）を計算する時は、次の公式を使って求めてください。

f=周波数[Hz]
P=電動機の極数

※実際の交流電動機の回転速度は、すべりがあるので公式よりも5％位遅くなります。

上の式を見ると、回転速度は周波数に比例し、極数に反比例するので、周波数か極数のどちらかを変えると回転速度を制御できることがわかります。

極数は電動機固有の値なので変えることはできませんが、周波数はインバーターを使えば自由に変えることができるので、回転速度を制御することができます。

インバーターとは、コンバーター回路とインバーター回路を搭載した装置のことで、コンバーター回路で交流を直流に変換して、インバーター回路で直流を交流に変換して周波数や電圧を好きなように変える用途で使います。

商用電源周波数は東日本が50Hz、西日本が60Hzで固定されていますが、インバーターを使えば周波数を制御でき、その結果、目的とする電動機の回転速度へ制御できるようになるということです。

電動機の正回転と逆回転

三相誘導電動機は、U端子、V端子、W端子があり、各端子は次のように各相と接続されて正回転しています。

三相誘導電動機の回転方向を逆回転させるには、この3つの接続箇所のうちのどれか2箇所を入れ替えれば逆回転します。

例えば、正回転している状態でのR相とT相に接続させている端子を次の様に入れ替えてみると、

という接続になり電動機は逆回転します。

力率改善用コンデンサの役割

力率改善用コンデンサ（低圧進相コンデンサ）は電動機と並列に接続して使います。

力率とは、交流回路における有効電力と皮相電力との比のことです。

有効電力とは、抵抗負荷で実際に消費される電力のことですが、皮相電力とは、有効電力と無効電力を含めた電力なので見た目の電力となります。

有効に電力を利用できるようにするには、無効電力を小さくして力率を1に近付けることが求められます。

通常、電動機にはコイル成分が含まれているので、電圧よりも電流の方が位相が遅れている遅れ力率といわれる状態となり力率が悪くなります。

力率が悪いと無効電力が増えて電力を有効に使えないので、力率が悪い状態を改善する為に、進相コンデンサを設置し遅れていた電流の位相を進ませてあげて力率を改善します。

電動機と並列に接続する進相コンデンサは、力率を改善して効率よく電力を使う為に必要なものと覚えておきましょう。

それでは、下の問題を繰り返し解いて覚えましょう。

三相誘導電動機の練習問題を解いてみよう

次の三相誘導電動機に関する問題を解いて力をつけてください。

問題２のような、三相誘導電動機の同期速度を求める計算問題はよく出題されますので試験までに必ず解けれるようにしておいてください。

問題２

4極の三相かご形誘導電動機を周波数60Hzで使用する時、同期速度はいくらになるか？

考え方：上の回転速度を求める式に当てはめてみましょう。

答え：