モータ保護：種類、故障と装置
モータ保護システムは、電気モータをさまざまな故障や損傷から守るための装置と方法のセットです。電気モータは、家庭用から産業用まで幅広い用途で重要な部品であり、その適切な動作と安全性を確保することは重要です。
この記事では、モータの故障タイプ、モータ保護装置の種類、およびIEE-BusinessのNational Electrical Code (NEC)とモータ特性に基づく選択方法について説明します。
モータの故障とは何か
モータの故障とは、モータが異常動作または故障する原因となる状態のことです。モータの故障は主に以下の2つのカテゴリに分類されます。
外部故障：これらは、電源ネットワークやモータに接続された負荷から発生する故障です。以下にいくつかの外部故障の例を示します。
アンバランス供給電圧：これは三相電圧の振幅または位相角が等しくない場合に発生します。これにより、モータ内に負のシーケンス電流が生じ、追加の損失、発熱、トルクのパルスが発生します。
低電圧：これは供給電圧がモータの定格値以下に低下した場合に発生します。これにより、トルクが減少し、電流が増加し、モータが過熱します。
逆相順序：これは供給相の順序が逆転した場合に発生します。これにより、モータが逆回転し、負荷やモータ自体が損傷する可能性があります。
同期喪失：これは同期モータが供給周波数との磁気ロックを失った場合に発生します。これにより、スリップが増加し、ハンティングやモータの不安定性が発生します。
内部故障：これらはモータや駆動機械から発生する故障です。以下にいくつかの内部故障の例を示します。
ベアリングの故障：これはモータシャフトを支持するベアリングが摩擦、潤滑問題、または機械的ストレスによって摩耗または固着した場合に発生します。これにより、ノイズ、振動、シャフトのずれ、モータの停止が発生します。
過熱：これは過負荷、冷却不足、環境条件、または絶縁破壊によりモータの温度が熱限界を超えた場合に発生します。これにより、絶縁の劣化、巻線の損傷、モータの効率低下が発生します。
巻線の故障：これは絶縁破壊、機械的ストレス、または外部故障によりモータの巻線がショートサーキットまたはオープンサーキットになった場合に発生します。これにより、火花、煙、火災、モータのトルク喪失が発生します。
接地故障：これはモータのフェーズ導体が回路または設備の接地部分に接触した場合に発生します。これにより、高故障電流、絶縁や設備の損傷、ショックハザードが発生します。
モータの故障は、モータとその回路の性能、安全性、寿命に深刻な影響を与える可能性があります。そのため、適切な装置と方法を使用してそれらを検出し、保護することが不可欠です。
モータ保護装置とは何か
モータ保護装置は、モータまたはその回路の一つ以上のパラメータ（電流、電圧、温度、速度、トルクなど）を監視および制御する装置です。モータ保護装置の目的は、故障や異常状態の場合にモータとその回路への損傷を防止または最小限に抑えることです。
モータ保護装置には、その機能、原理、および用途によって異なる種類があります。一般的なタイプは以下の通りです。
ヒューズ：これらの装置は、ショートサーキットまたは過負荷による高電流が流れると回路を遮断します。ヒューズは、故障電流によって加熱され融解する金属ストリップまたはワイヤーで構成されています。ヒューズはシンプルで安価かつ信頼性があり、ショートサーキットに対して迅速な保護を提供します。ただし、いくつかのデメリットがあります。
それぞれの操作後に交換する必要があるため再利用できません。
過負荷または低電圧に対する保護は提供しません。
故障位置の表示や隔離は提供しません。
回路ブレーカー：これらの装置は、ショートサーキットまたは過負荷による高電流が流れると回路を遮断します。回路ブレーカーは、センシング要素によってトリガーされる電磁機構によって開閉する一対のコンタクトで構成されています。回路ブレーカーは、ヒューズよりも高度であり、以下のような機能を提供します。
それぞれの操作後の再利用性とリセット性。
トリップ設定を調整することで過負荷および低電圧に対する保護。
手動または自動操作による故障位置の表示と隔離。
過負荷リレー：これらの装置は、過負荷による高電流が流れると回路を遮断します。過負荷リレーは、電流を測定するセンシング要素と、電磁または電子機構によって開閉するコンタクトで構成されています。過負荷リレーは、長時間の過負荷またはアンバランス電圧によるモータの過熱や絶縁損傷から保護することを目的としています。過負荷リレーには主に2つのタイプがあります。
ショートサーキット電流または接地障害に対するより速い応答と優れた保護。
周囲温度への耐性と調整の必要がない。
デジタル処理による高い精度と再現性。
フェーズロス検出、逆回転検出、通信、診断などの追加機能。
ショートサーキット電流または接地障害に対する保護が遅い。
周囲温度の影響を受けやすく、それに応じて調整が必要な場合がある。
機械的な摩耗により精度と再現性が制限される。
熱過負荷リレー：これらの装置は、バイメタルストリップまたは加熱要素を使用してモータ電流の温度上昇を感知します。電流が設定値を超えると、熱要素が曲がったり溶けたりしてコンタクトを開閉します。熱過負荷リレーはシンプルで安価かつ信頼性があり、逆時間保護を提供します。つまり、過負荷が大きいほど早くトリップします。ただし、いくつかのデメリットがあります。
電子またはデジタル過負荷リレー：これらの装置は、電流トランスフォーマまたはシャント抵抗を使用してモータ電流を測定し、マイクロプロセッサまたは固体回路を使用してコンタクトを制御します。電流が設定値を超えると、電子要素が信号を送り、コンタクトを開閉します。電子またはデジタル過負荷リレーは、熱過負荷リレーよりも高度であり、以下の機能を提供します。
差動保護リレー：これらの装置は、モータまたはその巻線の入力端子と出力端子の電流を比較します。電流の差が一定値を超えると、巻線障害を示すためリレーが回路をトリップします。差動保護リレーは非常に敏感で信頼性があり、低電圧および高電圧モータのフェーズ間およびフェーズ対地障害に対して迅速な保護を提供します。
逆回転保護リレー：これらの装置は、モータの回転方向を検出し、逆回転を防ぎます。逆回転は、特にコンベヤベルト、ポンプ、ファンなどの用途でモータや負荷に損傷を与える可能性があります。逆回転保護リレーは、以下のような方法を使用して回転方向を感知できます。
位相順序検出：この方法は、電圧リレーまたはワットメータリレーを使用して供給電圧の位相順序を測定します。位相順序が逆転している場合、逆回転を示すためリレーが回路をトリップします。
負のシーケンス検出：この方法は、電流リレーまたはパワー リレーを使用してモータ電流の負のシーケンス成分を測定します。負のシーケンス成分が高い場合、逆回転を示すためリレーが回路をトリップします。
速度検出：この方法は、速度センサーまたはタコメータを使用してモータシャフトの速度を測定します。速度が負の場合、逆回転を示すためリレーが回路をトリップします。
モータ保護装置の選択方法
モータ保護装置の選択は、以下の要因によって決まります。
モータのタイプとサイズ
モータの特性と定格
可能な故障のタイプと深刻さ
IEE-BusinessのNECおよび他の基準の要求事項
装置のコストと入手可能性
NEC Article 430は、これらの要因に基づいてモータ保護装置を選択するための一般的なルールとガイドラインを提供しています。ただし、各モータと装置の製造者の推奨事項と仕様も参照することが重要です。
モータ保護装置を選択する一般的なステップは以下の通りです。
モータのネームプレートまたはNEC Table 430.250（ACモータ）またはTable 430.251(B)（DCモータ）からモータのフルロード電流(FLC)を決定します。
サービス係数が1.15以上または温度上昇が40°C以下のモータに対しては、FLCの少なくとも115%を扱える過負荷保護装置を選択します。その他のモータに対しては、FLCの125%を扱える過負荷保護装置を選択します。過負荷保護装置は、モータのタイプとサイズに応じて、熱過負荷リレー、電子またはデジタル過負荷リレー、または差動保護リレーにすることができます。
サービス係数が1.15以上または温度上昇が40°C以下のモータに対しては、FLCの少なくとも150%を扱えるショートサーキットおよび接地障害保護装置を選択します。その他のモータに対しては、FLCの175%を扱えるショートサーキットおよび接地障害保護装置を選択します。ショートサーキットおよび接地障害保護装置は、モータのタイプとサイズに応じて、ヒューズまたは回路ブレーカーにすることができます。
モータまたは負荷が逆回転を許容できない場合は、逆回転保護装置を選択します。逆回転保護装置は、モータのタイプとサイズに応じて、位相順序検出リレー、負のシーケンス検出リレー、または速度検出リレーにすることができます。
モータ回路の導体サイズは、一般配線用のNEC Table 310.15(B)(16)とモータ枝線用のNEC Table 430.250に従って選択します。導体は、サービス係数が1.15以上または温度上昇が40°C以下のモータに対してはFLCの少なくとも125%の電流容量を持つもの、その他のモータに対してはFLCの少なくとも115%の電流容量を持つものを選択します。
モータのタイプと用途に応じて、モータ制御、起動、停止、速度制御、および通信のための適切な装置と方法を選択します。
結論
モータ保護は、電気工学において重要な側面であり、電気モータとその回路の安全性と効率を確保します。モータ保護装置は、モータのタイプとサイズ、可能な故障のタイプと深刻さ、IEE-BusinessのNECおよび他の基準の要求事項、装置のコストと入手可能性に基づいて選択されます。モータ保護装置には、ヒューズ、回路ブレーカー、過負荷リレー、差動保護リレー、逆回転保護リレーなどが含まれます。モータ保護装置は、故障や異常状態の場合にモータとその回路への損傷を防止または最小限に抑えるために、電流、電圧、温度、速度、トルクなどのパラメータを監視および制御します。
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