《機械》〈電動機応用〉[H24:問11]電動機の運転に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★★☆(やや難しい)

次の文章は,電動機の運転に関する記述である。

交流電源―整流器―平滑用コンデンサ―インバータで構成される回路によって電動機を駆動する場合,\( \ \fbox {  (ア)  } \ \)の大きな負荷を減速するときには,電動機からインバータに電力が流れ込む。

このとき直流電圧が上昇するので,\( \ \fbox {  (イ)  } \ \)とパワー半導体デバイスとの直列回路と平滑用コンデンサと並列に設け,パワー半導体デバイスをスイッチングして電流を調整することによって,電動機からの電力を消費させることができる。この方法を一般に\( \ \fbox {  (ウ)  } \ \)制動と呼んでいる。

一方,電力を消費するのではなく,逆変換できる整流器を介して交流電源に電力を戻し,他の用途等に有効に使うこともできる。この方法を一般に\( \ \fbox {  (エ)  } \ \)制動と呼んでいる。

上記の記述中の空白箇所(ア),(イ),(ウ)及び(エ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

\[
\begin{array}{ccccc}
& (ア) & (イ) & (ウ) & (エ) \\
\hline
(1) & 慣性モーメント & 抵 抗 & 発 電 & 回 生 \\
\hline
(2) & 慣性モーメント & 抵 抗 & 降 圧 & 発 電 \\
\hline
(3) & 摩擦係数 & 抵 抗 & 降 圧 & 発 電 \\
\hline
(4) & 慣性モーメント & リアクトル & 発 電 & 回 生 \\
\hline
(5) & 摩擦係数 & リアクトル & 降 圧 & 回 生 \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

慣性モーメントから発電制動,回生制動の話まで幅広い範囲に対して出題されています。やや特殊な分野なので電気屋としては少し厳しいかもしれませんが,設備を扱う上では知識として知っておいた方が良い内容となります。実務的な内容を理解しているかどうかを問う問題とも言えるかもしれません。

1.慣性モーメント\( \ J \ \)
質量\( \ m \ \mathrm {[kg]} \ \),速度\( \ v \ \mathrm {[m/s]} \ \)で回転している回転体の運動エネルギー\( \ W \ \mathrm {[J]} \ \)は,
\[
\begin{eqnarray}
W &=& \frac {1}{2}mv^{2} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] であり,回転体の半径を\( \ r \ \mathrm {[m]} \ \),角速度を\( \ \omega \ \mathrm {[rad/s]} \ \)とすると,\( \ v=r\omega \ \)の関係があるから,
\[
\begin{eqnarray}
W &=& \frac {1}{2}m\left( r\omega \right) ^{2} \\[ 5pt ] &=& \frac {1}{2}mr^{2}\omega ^{2} \\[ 5pt ] &=& \frac {1}{2}J\omega ^{2} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] となります。この\( \ J=mr ^{2} \ \)を慣性モーメントと呼びます。
慣性モーメントが大きいと,回転体は加速しにくく,減速しにくいという特徴があります。

2.代表的な電動機の電気的制動法
電動機のブレーキとして,機械的な摩擦制動(自転車のブレーキのようなもの)が扱われる場合もありますが,一般的には電気的制動法が用いられます。

①発電制動
電動機を電源から切り離し発電機として回転させ,発電したエネルギーをジュール熱として消費する制動法です。電車の制動では従来からよく使われている方法です。

②回生制動
電動機の誘導起電力を電源電圧より高くして,発電機として運転し,電気エネルギーを電源に送り返しながら制動する方法です。電気の有効利用が可能となるため,電車の制動でも使用されますが,逆変換等の設備が必要となり一般に高価となります。エレベータの下り等の制動としても使われます。

③逆転制動
三相のうち二相を入れ替かえて,逆回転のトルクを発生させることにより制動させる方法です。制動能力が高くなるので急停止等に利用します。

【解答】

解答:(1)
(ア)
ワンポイント解説「1.慣性モーメント\( \ J \ \)」の通り,慣性モーメントが大きい負荷を減速する時は,減速しにくい(エネルギーが大きい)ため,電動機からインバータ側に電力が流れ込みます。

(イ)
ワンポイント解説「2.代表的な電動機の電気的制動法」の通り,発電制動では抵抗を設け,電気エネルギーを熱として消費させます。

(ウ)
ワンポイント解説「2.代表的な電動機の電気的制動法」の通り,抵抗で電力を消費させる方法を発電制動と言います。

(エ)
ワンポイント解説「2.代表的な電動機の電気的制動法」の通り,逆変換できる整流器を介して,電源に電力を戻す方法を回生制動と呼びます。