直流電動機の速度特性と制御

直流電動機の速度特性とは、端子電圧・界磁磁束・負荷（電機子電流）が変わったときに回転速度がどのように変わるかを示す関係であり、速度制御とは、その関係を利用して回転速度を目的の値に合わせる操作である。直流電動機の回転速度は電圧・磁束・負荷の三つで決まるため、それぞれを変えたときの速度の変化を区別して理解しなければならない。

速度の基本式

電機子回路では、端子電圧 V から電機子抵抗 Ra による電圧降下を差し引いた値が逆起電力 E に等しくなる。電機子電流を Ia とすると、次の関係が成り立つ。

E = V − Ra·Ia

逆起電力は界磁磁束 φ と回転速度 N の積に比例するため、比例定数を K とすると E = K·φ·N と表される。この二式から速度 N は次の式で求められる。

N = (V − Ra·Ia) / (K·φ)

この式から、速度は端子電圧 V に比例し、界磁磁束 φ に反比例することが分かる。速度は電圧に比例して増え、磁束に反比例して増える関係にある。また、電機子抵抗による電圧降下 Ra·Ia が大きくなるほど速度は低下する。電機子電流 Ia は負荷トルクに応じて決まるため、負荷が増えると Ia も増え、その分だけ速度は下がる。

負荷による速度の変わり方を表す指標として速度変動率を用いる。無負荷時の速度を N0、全負荷時の速度を N とすると、速度変動率は次の式で表される。

ε = (N0 − N) / N × 100 [%]

速度変動率が小さいほど、負荷が変わっても速度がほぼ一定に保たれることを意味する。

界磁制御による速度の上昇

界磁制御とは、界磁回路に可変抵抗を直列に入れて界磁電流を変え、界磁磁束 φ を減らすことで速度を上げる方法である。速度の式において φ を小さくすると N は大きくなるため、界磁制御は定格速度より高い速度を得る方法として用いられる。

ただし、磁束を減らすと同じ電機子電流に対するトルクも小さくなる。トルクは T = K·φ·Ia で表されるため、Ia が一定であれば、トルクは磁束に比例して減少する。界磁制御では速度は上がるが、出せるトルクは下がるという関係を押さえなければならない。

界磁回路を開放すると磁束がほぼ残留磁気だけになり、速度が過大になる危険があるため、界磁回路の断線には注意を要する。