同期電動機の負荷角と力率調整

過励磁で励磁を大きくすると力率は

軸にかかる負荷、つまり有効電力が決まると、電機子電流の有効分は固定されます。ところが界磁の励磁で内部起電力 E の大きさを変えると電流の無効分が変わり、フェーザ図で電流 I が端子電圧 V より遅れるか進むかも変わります。励磁を強めたとき(過励磁)力率がどちらへ行くかを先に選んでから、スライダーを動かして確かめます。

回転子が回転磁界に噛み合って引かれる

同期電動機では、固定子の回転磁界と直流で励磁した回転子(磁石)が磁気的にかみ合い、いっしょに同期速度で回ります。誘導機と違って滑りがないので、負荷がかかっても回転子は回転磁界より負荷角 δ だけ後ろに遅れるだけで、速度は変わりません。トルクはこの負荷角で決まって T ∝ (V E / Xs) sin δ となり、負荷が大きくなると δ が大きくなってトルクが増えますが、δ が 90° を超えるとかみ合いが外れて同期を失います(脱調)。また、止まっている回転子は同期速度で回る磁界に追いつけないので自力では始動できず、回転子に付けた制動巻線で誘導機のように始動するか、インバータで低い周波数から上げて始動します。

励磁で無効電力を売買する

負荷が決まると電動機が吸収する有効電力が決まり、それは電機子電流のうち端子電圧と同相の有効分にあたるので、励磁を変えても変わりません。しかし界磁の励磁で内部起電力 E の大きさを変えると、電流の無効分が変わります。不足励磁(E が小さい)なら電動機は系統から遅れ電流を引き込んで無効電力を吸収し、過励磁(E が大きい)なら進み電流を流して無効電力を供給します。励磁がちょうど合う一点で無効分が 0 になって力率 1 となり、電機子電流も最小になります。有効電力は負荷角が、無効電力は励磁が受け持つわけです。

同期調相機で力率を直す

この性質をそのまま使った機械が同期調相機です。軸にほとんど負荷をかけずに回る同期電動機を過励磁で運転すると、系統に進みの無効電力を供給して力率を改善するので、巨大なコンデンサのように働きます。逆に不足励磁で運転すると遅れの無効電力を吸収し、軽負荷のときに長距離送電線の静電容量が引き起こす電圧上昇(フェランチ効果)を抑えます。コンデンサと違って、励磁一つで供給と吸収を連続的に行き来できるのが強みです。負荷をかけたふつうの同期電動機も過励磁で回せば同じ働きをするので、工場では動力を出しながら工場全体の力率まで改善するのに使われます。

最初の画面に戻ると

励磁を強めると力率が進みへ移りました。負荷が決めた有効電力は電機子電流の有効分として固定されていたのでトルクは変わりませんでしたが、界磁の励磁が内部起電力 E の大きさを変えて電流の無効分を動かしたからです。不足励磁なら遅れ電流で無効電力を吸収し、過励磁なら進み電流で供給し、ちょうど合えば力率 1 で電機子電流が最小になります。トルクは負荷角が、力率は励磁が別々に握るこの分離が同期電動機を特別なものにし、無負荷で過励磁して回せばそのまま力率を直す同期調相機になります。発電機で見た E = V + jIXs は、電動機では電流の向きを逆にとって jIXs を引く形に変わり、トルクと力率をいっしょに扱うつまみになります。

励磁で力率を動かせることを一枚の図にすると、横軸の界磁電流に対して縦軸の電機子電流が V 字の曲線を描きます。谷底が力率 1 で、左が不足励磁(遅れ)、右が過励磁(進み)であり、負荷が大きくなるほど曲線全体が上へ上がります。次のユニット(MC-D4)では、この V 曲線で力率調整を数で扱い、負荷角がどこまで耐えるかを決める安定度(脱調の限界)もあわせて調べます。