誘導電動機と同期電動機のダイナミクスとは何ですか？

誘導電動機と同期電動機の動的特性

誘導電動機（Induction Motor）と同期電動機（Synchronous Motor）は、ACモータの2つの一般的なタイプです。これらは構造、動作原理、動的特性において大きく異なります。以下にこれらの2種類のモータの動的特性について分析します。

1. 起動特性

誘導電動機：

誘導電動機は通常、起動時に高い起動電流を必要とし、定格電流の5〜7倍に達することがあります。これは、起動時にローターが静止しており、スリップs=1となるため、ロータ巻線に大きな誘導電流が生じるからです。

起動トルクは比較的低く、特に全負荷時には定格トルクの1.5〜2倍程度しかありません。起動性能を改善するためには、ソフトスターターや星三角スターターを使用して起動電流を減らし、起動トルクを増やすことができます。

誘導電動機の起動過程は非同期であり、モータは静止状態からほぼ同期速度まで徐々に加速しますが、完全な同期にはなりません。

同期電動機：

同期電動機の起動特性はそのタイプによって異なります。自己起動型の同期電動機（例：永久磁石同期電動機や起動巻線付き同期電動機）は、誘導電動機のように非同期で起動できますが、同期速度に近づくにつれて励磁システムによって同期に引き込まれます。

自己起動型ではない同期電動機の場合、外部装置（例：周波数変換器や補助モータ）が必要となり、同期速度に達するまでモータを起動させます。その後、同期運転に入ることができます。

同期電動機は一般に高い起動トルクを提供し、特に励磁システムを持つものは起動時に大きなトルクを発生することができます。

2. 定常運転特性

誘導電動機：

誘導電動機の速度は供給周波数に比例しますが、常に同期速度よりもわずかに低いです。スリップsは実際の速度と同期速度の差を表し、通常0.01〜0.05（つまり1%〜5%）の範囲です。スリップが小さいほど効率は高くなりますが、トルク出力は減少します。

誘導電動機のトルク-速度特性は放物線形であり、特定のスリップ値（通常は臨界スリップ）で最大トルクが発生します。負荷が増加すると速度はわずかに低下しますが、モータは安定した運転を維持します。

誘導電動機の力率は通常低いです。特に軽負荷または無負荷時には0.7程度まで低下することがあります。負荷が増加すると力率は改善します。

同期電動機：

同期電動機の速度は供給周波数に厳密に比例し、負荷の変化に関わらず同期速度で一定です。これにより非常に安定した速度が確保され、正確な速度制御を必要とする用途に適しています。

同期電動機のトルク-速度特性は垂直線であり、同期速度で一定のトルクを提供し、速度の変化はありません。負荷がモータの最大トルク能力を超えると、モータは同期を失い停止します。

同期電動機は励磁電流を調整することで力率を制御でき、容量性または感性のいずれかで動作することができます。この特徴により、同期電動機は電力網の力率改善に有用です。

3. 動的応答特性

誘導電動機：

誘導電動機の動的応答は比較的遅く、特に負荷が突然変化する場合に顕著です。ローターの慣性と電磁気的な慣性により、新しい負荷条件に適応するまでの遅延時間が生じます。この遅延は、特に重負荷や頻繁な起動・停止アプリケーションで速度の変動を引き起こす可能性があります。

誘導電動機の速度制御範囲は限られており、通常は供給周波数の変更（例：可変周波数ドライブを使用）によって達成されます。しかし、これにより特に低速時のトルクが減少する可能性があります。

同期電動機：

同期電動機の動的応答は早く、特に負荷が変化する場合に顕著です。モータの速度は常に供給周波数と同期しているため、負荷の変動下でも安定した速度を維持できます。また、同期電動機のトルク応答も迅速で、短時間で必要なトルクを提供することができます。

同期電動機は励磁電流を変更することでトルクと力率を調整でき、より柔軟な制御が可能です。ベクトル制御や直接トルク制御（DTC）などの高度な制御方法も使用して、精密な速度とトルク制御を達成することができます。

4. 過負荷容量と保護

誘導電動機：

誘導電動機は一定の過負荷容量を持ち、短期間であれば定格負荷の1.5〜2倍を耐えられます。しかし、長時間の過負荷は過熱を引き起こし、絶縁材を損傷させる可能性があります。そのため、誘導電動機は通常、過熱を防ぐために熱継電器や温度センサーなどの過負荷保護装置を装備しています。

誘導電動機の過負荷容量は設計によります。例えば、巻線ロータ誘導電動機は外部抵抗を使用してロータ電流を制御できるため、スクリューケージモータよりも優れた過負荷性能を持っています。

同期電動機：

同期電動機は強力な過負荷容量を持ち、特に励磁システムを持つものは短期間であれば定格負荷の2〜3倍を耐えられます。しかし、長時間の過負荷は過熱を引き起こす可能性があります。

同期電動機は、過電流保護、同期喪失保護、励磁故障保護など、様々な手段で保護されています。同期喪失保護は過負荷下での同期喪失を防ぎ、励磁故障保護は励磁システムの正常な動作を確保します。

5. 応用シナリオ

誘導電動機：

誘導電動機は工業、農業、家庭用電化製品など、高精度な速度制御が不要な用途で広く使用されています。例としてはファン、ポンプ、圧縮機などが挙げられます。

構造が簡単でコストが低く、メンテナンスもしやすいことから、多くの用途で誘導電動機が選択されることが多いです。

同期電動機：

同期電動機は高精度な速度制御が必要な用途に適しており、精密工作機械、発電機、大型圧縮機などに使用されます。一定の速度を維持し、高い力率を提供する能力により、電力システムにおけるグリッド効率の改善にも価値があります。

同期電動機はまた、精密な速度制御と高速な動的応答が必要なサーボシステムやロボティクスなどの用途でも広く使用されています。

まとめ

• 誘導電動機：高い起動電流、低い起動トルク、同期速度よりも若干低い速度、遅い動的応答、一般的な産業および家庭用アプリケーションに適しています。

• 同期電動機：タイプによる起動特性、厳密な同期速度、高速な動的応答、高精度な速度制御と力率改善が必要なアプリケーションに適しています。