概要
本ページでは、他励式直流電動機の速度の制御方法について、解説していきます。
他励式直流電動機の速度は次式で表されます。
\(\displaystyle N=\frac{V-I_aR_a}{K \Phi}\)
この特性をグラフにすると、左図のようになります。
負荷電流増加に伴って、やや右肩下がりとなりますが、ほぼ一定の回転速度となります。
このほぼ一定速度の特性を持つ他励式直流電動機を回転速度を望むように変化させるには、どのようにすればよいかを考えます。
速度特性の式から、次の３つのパラメータ操作で、速度を制御することが出来ることがわかります。
・界磁磁束\(\Phi[Wb]\)を変化させる
・電機子抵抗\(R_a[Ω]\)を変化させる
・端子電圧\(V[V]\)を変化させる
界磁磁束の変化による速度制御
速度制御方法として、界磁磁束\(\Phi[Wb]\)を変化させる方法が最も簡単です。
励磁回路の抵抗\(R_f\)を可変抵抗とすれば、抵抗の大きさを調節することで、
励磁電流を調整することが出来、励磁電流と比例関係にある、磁束\(\Phi\)を調節することができます。
長所
界磁電流は比較的小さな電流なので、電力損失が少ないです。
また、界磁調整器も小型なので、安価です。
そのため、広く利用されます。
短所
界磁磁束を強めすぎると磁気飽和してしまう問題があります。
逆に弱めすぎると、電動機の運転が不安定となります。
このため、界磁磁束による速度制御は、制御できる速度変化幅が小さい問題があります。
電機子抵抗の変化による速度制御
電機子に可変抵抗\(R_a\)を接続して、電機子電流を制御することで、速度制御する方法です。
抵抗\(R_a\)における熱損失が大きく、効率が非常に悪いので、一般的ではありません。
端子電圧の変化による速度制御
電動機に接続する電源電圧\(V\)を調整することで、速度を増減することができるので、制御できる速度変化幅も大きく取れます。
ワード・レオナード方式
ワード・レオナード方式とは、①交流電動機で②他励式直流発電機を回し、その発電機で③他励式直流電動機を駆動することで、直流電動機の速度を精密に制御する方式です。
ワードレオナード方式の目的は、直流電動機の端子電圧\(V\)を可変とすることで、回転速度を制御することです。
１台の電動機の速度制御をするために、２台追加で電動機を使用する狂気の構成をしていますが、直流電動機の電機子電圧の可変制御は、パワーエレクトロニクスが発展する前は難しく、このような大掛りな構成をしなければ実現が出来ませんでした。
設備費用が高くなりますが、乗り心地の求められる高層ビルや、デパート等で採用されました。
パワーエレクトロニクスが発展した現在では、新規に採用されることは無い方式でしょう。
直流発電機が作り出す端子電圧\(V[V]\)は、次式で表されます。
\(V=K \Phi_g n – I_aR_{ag}≒K \Phi_g n[V]\)
※\(I_aR_{ag}\)の項は小さいため無視できる
この式から、直流発電機の磁束\(\Phi_g\)を変化させることで端子電圧\(V[V]\)を制御します。
イルグナ方式
直流電動機の負荷トルクが急変したとき、直流発電機を回す交流電動機が変動に追いつけず、回転数が不安定になる問題があります。
その対策として、直流発電機と交流電動機をつなぐ軸にフライホイールを設置する方式をイルグナ方式と呼びます。
フライホイールは、重量のある円盤です。このフライホイールに回転の慣性力を蓄えておくことで、急激な変動を慣性力で吸収することが出来る装置です。
静止レオナード方式（サイリスタレオナード方式）
静止レオナード方式は、交流電源をサイリスタで整流することで直流電源とする方式です。
サイリスタは、点弧角を変化させることで出力する直流電圧を制御することができます。
サイリスタを使う回路は、交流（AC)を直流（DC)に変換する装置なので、AC/DCコンバータと呼びます。
ワードレオナード方式と違って機械的に動く部分がない静止機械なので、静止レオナード方式と呼びます。
静止レオナード方式の長所として、次のようなことを挙げられます。
・設備規模を小さくすることが出来るため、設備費用が安価に出来る。
・損失が小さい。（電動機・発電機を使わないため）
・静止機械なので、運転・保守が容易。
・制御精度が高い（点弧角で細かく調整できる）
直流チョッパ方式
直流チョッパ回路はMOSFETやIGBTなどの半導体スイッチで構成される回路です。
入力された直流電源をチョッパ回路の半導体スイッチのオン時間を調整することで、出力される直流電圧を制御することが出来ます。
このチョッパ回路をDC/DCコンバータと呼びます。
静止レオナード方式同様、
・設備規模を小さく、安価に出来る。
・損失が小さい。
・静止機械なので、運転・保守が容易。
・制御精度が高い（デューティ比（ON/OFF時間の比率）で細かく調整できる）
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参考書
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この本より詳しい本は少ないと思いますので、直流電動機の設計を学ぶ人に取っては良い本かと思われます。
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