始動・速度制御・制動

直流電動機の始動・速度制御・制動は、停止している電動機を回転させる操作、回転速度を変える操作、回転を止める操作を定める論点である。直流機の電機子回路は抵抗が小さいため、定格電圧をそのまま加えると定格値を大きく超える電流が流れる。この性質を前提に、各操作では電機子回路に抵抗を挿入する方法や界磁電流を変える方法が用いられる。以下では、始動、速度制御、制動の順に原理と方法を整理する。

始動の原理と始動抵抗器

静止している電動機には逆起電力が発生しないため、始動時の電機子電流は端子電圧を電機子抵抗で割った値になる。電機子抵抗が小さい機械に全電圧を直接加えると、始動電流は定格電流の数十倍に達する。この過大な電流を抑えるために、電機子回路に始動抵抗器を直列に挿入する。始動抵抗器は、回転速度の上昇に伴って逆起電力が増加するにつれて段階的に短絡されていく。始動電流は次の式で求める。

I_s = V / (R_a + R_s)

ここでVは端子電圧、R_aは電機子抵抗、R_sは始動抵抗である。始動電流の計算は、電機子回路の抵抗の合計を用いて行う。

分巻電動機では、界磁回路に十分な電流が流れていることが始動の前提である。界磁電流が流れない状態で電機子に電圧を加えると、磁束が生じないため回転速度が過大になるおそれがある。そのため、界磁回路を先に励磁してから電機子回路に電圧を加える手順が必要である。

速度制御の原理

直流電動機の回転速度は、端子電圧と電機子抵抗による電圧降下の差に比例し、界磁の磁束に反比例する。電機子電流をI_a、電機子抵抗をR_a、磁束をφ、比例定数をkとすると、回転速度Nは次の式で表される。

N = (V − I_a R_a) / (kφ)

この式から、速度を制御する方法は、端子電圧Vを変える方法、電機子回路の抵抗を変える方法、磁束φを変える方法の三つに分類される。どの方法を用いても、速度は上式の関係に従って変化する。

速度制御の方法

電機子抵抗制御は、電機子回路に抵抗を直列に挿入して端子電圧の実効値を下げることで速度を下げる方法である。挿入した抵抗では電力が熱として失われるため、速度を下げるほど効率が低下する。

界磁制御は、界磁電流を減らして磁束φを弱める方法である。磁束が減少すると回転速度は上昇するため、この方法は定格速度より高い速度の範囲で用いられる。界磁電流を増やして磁束を強めると、回転速度は低下する。