令和6年度第三種電気主任技術者上期試験　機械科目 問50 解説 問5 令和6年度 上期 第三種電気主任技術者試験 機械科目 問5

回転界磁形同期電動機の磁極面に制動巻線を施し、かご形誘導電動機と同様の原理で起動させた後、界磁巻線を直流で励磁することで同期速度へ引き込む構成をとることが、この電動機の自己起動における正答です。

同期電動機の自己起動の原理と制動巻線

同期電動機は、回転子の界磁巻線に直流電流を流して磁極を作り、固定子の回転磁界と磁気的に結合させて同期速度で運転する機械です。しかし、停止している回転子に固定子の回転磁界だけを与えても、回転子の慣性や磁極の向きの変化により、正負のトルクが平均化されてしまい、自力では回転を開始できません。

これを解決するための手法が「自己起動法」です。回転子の磁極面に導体棒を埋め込み、両端を短絡環でつないだ「制動巻線」を設けます。この構造は、かご形誘導電動機の回転子（かご形巻線）と全く同じものです。固定子の回転磁界が回転子の制動巻線を横切ると、電磁誘導の法則により制動巻線に誘導起電力が発生し、かご形誘導電動機と同様のトルク（誘導トルク）が生じて回転子が加速します。

起動から同期運転へのプロセス

1. 制動巻線の役割を特定する 同期電動機が停止した状態で回転力を得るには、誘導電動機の原理を利用するのが一般的です。そのために磁極面に設置する巻線が「制動巻線」であり、この動作原理は「かご形誘導電動機」の起動方法と同じです。

2. 起動時の界磁巻線の保護 回転子が誘導トルクによって加速している間、界磁巻線には固定子の回転磁束が鎖交し続けます。これにより界磁巻線には非常に高い交流電圧が誘導されます。この電圧は絶縁破壊を引き起こす可能性があるため、起動時は界磁巻線を抵抗で短絡し、電流を逃がすことで電圧を抑制します。

3. 同期投入の条件を決定する 回転子が同期速度に近い速度（すべりが十分に小さい状態）に達したら、短絡していた抵抗を切り離し、界磁巻線に「直流」を供給します。これにより回転子に強力な固定磁極が形成され、固定子の回転磁界と磁気的に引き合って（同期化力）、回転子は同期速度で安定して回転するようになります。

制動巻線に誘導される電流と、界磁巻線に加える電流の性質の違いを一つずつ追っていくと、電動機が静止状態から同期速度へと力強く加速していく様子が見えてきます。

参考リンク

• 同期電動機の自己起動法（電気主任技術者試験対策）
• 同期電動機を回してみた（誘導機として起動させる実験）
• 同期機の構造と特性（電気学会電気工学ハンドブック）