電験三種 機械 問17：電気機器（誘導機）

電験三種「機械」の「電気機器（誘導機）」からの出題（令和7年度下期 問11）。正答は(2)です。

かご形誘導電動機の速度制御方法の問題。速度n∝(1-s)×Ns、Ns＝120f/p。

速度制御の3方式：(1)一次電圧制御（電圧を下げると速度低下）、(2)VVVF（インバータによるf制御）、(3)極数切換（段階的速度変更）。正答(2)の記述が速度制御の特性を正確に説明。

【電気機器（誘導機の速度制御）の解法】（令和7年度下期 問11）

【誘導電動機の速度に関係する変数】

同期速度: Ns = 120f/p [min⁻¹]（f: 周波数、p: 極数）

回転速度: N = Ns×(1-s) [min⁻¹]（s: スリップ）

【かご形誘導電動機の速度制御方法】

(1) 一次電圧制御: 電圧を下げるとトルクが電圧²に比例して減少→スリップ増大→速度低下

メリット: 簡単。デメリット: スリップ大→銅損大→効率低下

(2) VVVF（可変電圧可変周波数）制御: インバータでf・Vを変える

V/f一定制御→磁束一定で広範囲速度制御→高効率・高性能

現代の主流方式

(3) 極数切換: 巻線を切り換えて極数p変更→Nsが段階的変化

連続可変不可だが堅牢・安価

(4) 二次抵抗制御（巻線形のみ）: スリップリングから外部抵抗挿入→スリップ増大

【正答(2)の根拠】

VVVF制御の特性（V/f一定・広範囲制御・省エネ）を正確に述べた記述が(2)。

【電気機器（誘導機の速度制御・ベクトル制御）の深層解析】（令和7年度下期 問11）

【正答(2)の根拠：インバータ制御の理論】

【VVVFインバータ制御の原理】

誘導電動機のトルクT ∝ Φ²/R₂（Φ: 磁束、R₂: 二次抵抗）

磁束Φ ∝ V/f（主磁束近似）

V/f = const に保つことで、周波数fを変えても磁束一定→トルク一定制御が可能。

【V/f制御の特性図（トルク-速度曲線の変化）】

f=50Hzの特性曲線を並行移動させた形でf=25Hz, 40Hz等の曲線が得られる。

全ての曲線の最大トルクがほぼ等しい（磁束一定のため）。

【ベクトル制御（FOC: Field Oriented Control）】

V/f制御の問題点: 過渡応答でトルクを直接制御できない。

ベクトル制御: 電機子電流をd軸（磁束方向）とq軸（トルク方向）に分解→独立制御。

⇒ 直流電動機と同等の速度・トルク応答が可能。

d軸電流 Id: 磁束制御（Φ = L_m×Id）

q軸電流 Iq: トルク制御（T = kΦ×Iq ∝ Id×Iq）

【直接トルク制御（DTC）】

スウェーデンABB社が開発。磁束とトルクの瞬時値を直接制御。

ベクトル制御と同等性能をセンサレスで実現可能。

【誘導電動機の速度制御方式比較（電験三種重要）】

| 方式 | 連続変速 | 効率 | コスト | 用途 |

|VVVF| 可 | 高 | 中 | 工場・ポンプ・EV |

|一次電圧| 可（狭範囲）| 低 | 低 | 簡易調光・扇風機 |

|極数切換| 不可（段階）| 高 | 低 | 送風機・ポンプ |

|二次抵抗| 可（巻線形）| 低 | 中 | クレーン・工作機 |

【SiCインバータの最新動向】

SiC MOSFET採用で: スイッチング損失50%削減、動作温度200℃、100kHz以上のスイッチング可能。

EV（電気自動車）のモータ駆動インバータ、太陽光PCSへの採用が加速（2023〜2026年主流化）。

【電験二種・実務への接続】

電験二種: 誘導電動機の等価回路パラメータからV/f制御時の電流・トルクを計算

実務: 工場省エネ改善（定速ポンプ→インバータ化）のコスト回収計算・効果検証