第一種電工 令和4年度午前 問10｜電気の基礎理論

誘導電動機の回転速度は、電源の周波数に比例する同期速度（Ns＝120f÷p、fは周波数、pは極数）でほぼ決まります。インバータは、電源の周波数を自由に変えた交流を電動機に供給する装置です。周波数を変えると同期速度が変わり、電動機の速度を連続的に、なめらかに制御できます。正答はアです。

誘導電動機の回転速度 N は次の式で表されます。

N＝Ns×(1－s)＝(120f÷p)×(1－s)

（f：周波数、p：極数、s：滑り）

この式から、速度を変える方法は3つあります。

・周波数fを変える：インバータ制御（ア）

・極数pを変える：極数切換（エ）。速度は段階的にしか変えられない

・滑りsを変える：巻線形誘導電動機の二次抵抗制御など（ウ）

インバータによる速度制御は、このうち周波数を変える方法です。周波数だけを下げると鉄心の磁束が増えすぎるので、実際には電圧も周波数に比例して変える（V/f一定制御）のが基本です。イの「周波数を変えずに電圧を変える」は一次電圧制御で、インバータ制御の説明ではありません。正答はアです。

本問は、かご形誘導電動機の速度制御方式のうち、インバータ制御の原理を問う問題です。

【同期速度と周波数】同期速度 Ns＝120f/p［min⁻¹］。4極の電動機なら、50Hzで1500min⁻¹、60Hzで1800min⁻¹、25Hzで750min⁻¹です。インバータは商用電源をいったん直流に変換し（コンバータ部）、それを任意の周波数・電圧の交流に変換して（インバータ部）電動機に供給します。

【V/f一定制御】誘導電動機の磁束は、ほぼ電圧÷周波数に比例します。周波数だけを下げると磁束が増えて励磁電流が増え、鉄心が飽和します。そこで電圧も周波数に比例して下げ、V/fを一定に保つことで、低速でも必要なトルクを出せるようにします。

【他の方式との比較】

・極数切換（エ）：固定子巻線の接続を切り換えて極数を変える。速度は2段・3段などの段階的な変化になる。

・滑りの制御（ウ）：巻線形誘導電動機で二次抵抗を変える方法などがある。かご形では二次側に抵抗を接続できず、低速では損失が大きい。

・一次電圧制御（イ）：電圧を下げるとトルクが下がり、負荷とのつり合いで滑りが増えて速度が下がる。制御範囲が狭く、損失も大きい。

インバータ制御は、かご形のまま広い範囲で効率よく速度を変えられるため、ポンプ・ファン・コンベアなどで広く使われています。

【実務上の注意】インバータの出力には高調波成分が含まれるため、電源側への高調波の流出や、ノイズによる周辺機器への影響に配慮が必要です。また、ポンプやファンでは回転速度を下げると消費電力が大きく減るため、省エネルギーの手段としても重要です。