モータ熱過負荷保護

誘導電動機のモータの熱過負荷保護を理解するためには、三相誘導電動機の動作原理について説明します。円筒形のステータがあり、その内周に三相巻線が対称的に配置されています。このような対称的な配置により、三相電源がステータ巻線に供給されると、同期速度で回転する磁界が生成されます。ロータは主に固体銅バーによって形成され、両端で短絡されており、シリンダーケージのような構造を作ります。これが理由でこのモータはスコーラージ誘導電動機とも呼ばれます。さて、三相誘導電動機の基本的な点について述べて、モータの熱過負荷保護について明確に理解しましょう。

回転する磁束がロータの各バー導体を切ると、バー導体を通る誘導循環電流が流れます。起動時にはロータは静止しており、ステータフィールドは同期速度で回転していますので、回転フィールドとロータとの相対運動は最大です。
したがって、磁束がロータバーを切る割合が最大となり、この条件下では誘導電流も最大となります。しかし、この誘導電流の原因はこの相対速度であり、ロータはこの相対速度を減らそうとするため、回転磁界の方向に回転し、同期速度に追いつこうとします。ロータが同期速度に達すると、この相対速度はゼロになり、それ以上磁束が切れず、結果としてロータバーには誘導電流が流れなくなります。誘導電流がゼロになると、ロータと回転磁界との間の相対速度をゼロに維持する必要はなくなるため、ロータの速度は下がります。

ロータの速度が下がると、ロータと回転磁界との間の相対速度は再び非ゼロの値を取り、これによりロータバーに誘導電流が生じ、ロータは再度同期速度を目指す動きを繰り返します。これはモータがオンになっている間ずっと続きます。この現象により、ロータは同期速度に達することもなく、通常運転中に停止することもありません。同期速度とロータ速度の差を誘導電動機のスリップと言います。

通常運転中の誘導電動機のスリップは、モータの負荷状態によって通常1％から3％程度変動します。ここで、誘導電動機の速度電流特性を描いてみましょう。大型ボイラーファンの例を考えてみましょう。

特性図においてY軸は秒単位の時間、X軸はスタータ電流の%を表しています。ロータが静止している起動条件では、スリップは最大となり、ロータ内の誘導電流も最大になります。変圧作用により、スタータは電源から大きな電流（定格全負荷スタータ電流の約600%）を引き出します。ロータが加速されるとスリップが減少し、結果としてロータ電流およびスタータ電流は12秒以内に同期速度の80%に達するまで約500%の定格全負荷電流に低下します。その後、ロータが通常速度に達するとスタータ電流は急速に定格値に落ち込みます。

次に、電気モータの熱過負荷または過熱問題とモータの熱過負荷保護の必要性について議論します。
モータの過熱を考えるとき、最初に思い浮かぶのは過負荷です。機械的な過負荷により、モータは電源からより多くの電流を引き出すため、モータは過度に過熱します。また、ロータが機械的にロックされた場合（外部の機械力によって静止した場合）、モータは電源から非常に高い電流を引き出し、これも熱過負荷や過熱問題につながります。別の過熱の原因は低電圧です。モータが電源から引く電力はモータの負荷状態に依存するため、低電圧の場合、モータは必要なトルクを維持するためにより多くの電流を電源から引き出します。一相欠損もモータの熱過負荷を引き起こします。一相がサービス外になった場合、残りの二相は必要な負荷トルクを維持するためにより多くの電流を引き出し、これによりモータは過熱します。三相電源の不均衡もモータ巻線の過熱を引き起こします。不均衡システムはスタータ巻線に負の順列電流を生じさせるためです。さらに、供給電圧の突然の消失と復旧もモータの過度な加熱を引き起こします。供給電圧の突然の消失により、モータは減速し、電圧の突然の復旧によりモータは定格速度に達するための加速を行い、そのためモータは電源からより多くの電流を引き出します。

熱過負荷またはモータの過熱は絶縁不良や巻線の損傷につながる可能性があるため、適切なモータの熱過負荷保護のために、モータは以下の条件に対して保護されるべきです。

1. 機械的な過負荷、

2. モータシャフトの停止、

3. 低電圧、

4. 供給電源の一相欠損、

5. 供給電源の不均衡、

6. 供給電圧の突然の消失と復旧。

モータの最も基本的な保護方式は熱過負荷保護であり、上記のすべての条件に対する保護を主にカバーします。熱過負荷保護の基本原理を理解するためには、基本的なモータ制御スキームの回路図を見てみましょう。

上記の図では、STARTプッシュボタンが閉じられると、トランスフォーマーを通じてスターターコイルが励磁されます。スターターコイルが励磁されると、通常開（NO）の接触点5が閉じ、モータの端子に供給電圧が供給され、モータが回転を開始します。このスタートコイルはまた、接触点4を閉じ、STARTプッシュボタンが開放された後でもスターターコイルが励磁されたままになります。モータを停止するには、スターターコイルと直列に接続されたいくつかの通常閉（NC）の接触点があります。その一つがSTOPプッシュボタンの接触点です。STOPプッシュボタンが押されると、この接触点が開き、スターターコイル回路の連続性が切断され、スターターコイルが非励磁になります。したがって、接触点5と4は通常開の位置に戻ります。モータの端子に電圧がないため、最終的に停止します。同様に、他のNC接触点（1、2、3）が開いた場合もモータは停止します。これらのNC接触点は、さまざまな保護リレーと電気的に結合して、異常な条件下でのモータの動作を停止します。

熱過負荷リレーとその機能について見てみましょう。
モータ供給回路に直列に接続されたCTの二次側は、熱過負荷リレー（49）のバイメタルストリップに接続されています。下図のように、CTの二次側のいずれかの電流が予定された値を超えて一定時間継続すると、バイメタルストリップは過熱し、変形します。これにより、リレー49が作動します。リレー49が作動すると、NC接触点1と2が開き、スターターコイルが非励磁になり、モータが停止します。

さらに、モータの熱過負荷保護を提供する際には覚えておくべきことがあります。実際、すべてのモータには予定された過負荷許容値があります。つまり、すべてのモータは、その負荷状況に応じて特定の許容期間内に定格負荷を超えて動作することができます。特定の負荷でモータが安全に動作できる時間は製造元によって指定されています。モータの異なる負荷とそれに応じた安全な動作可能時間の関係は、モータの熱限界曲線と呼ばれます。特定のモータの曲線を見てみましょう。

ここでは、Y軸または垂直軸は許容時間を秒単位で、X軸または水平軸は過負荷のパーセンテージを表しています。曲線から明らかなように、モータは定格負荷の100%で長時間過熱による損傷なしに安全に動作できます。定格負荷の200%で1000秒、定格負荷の300%で100秒、定格負荷の600%で15秒安全に動作できます。曲線の上部はロータの正常動作状態を、最下部はロータの機械的にロックされた状態を表しています。

選択された熱過負荷リレーの動作時間対駆動電流曲線は、モータの熱限界曲線よりも下に位置する必要があります。詳細については以下に議論します。

インダクションモータの起動電流の特性を思い出してください。インダクションモータの起動時に、スタータ電流は定格電流の600%を超えますが、10〜12秒後に急激に定格値に落ち込みます。したがって、熱過負荷リレーがこの10〜12秒以内に定格電流の600%の電流で作動すると、モータは起動できません。よって、選択された熱過負荷リレーの動作時間対駆動電流曲線は、モータの熱限界曲線よりも下に、モータの起動電流特性曲線よりも上に位置する必要があります。熱電流リレーの特性の推定位置は、これらの2つの曲線によって囲まれた領域に示されています。

熱過負荷リレーを選ぶ際に覚えておくべきもう一つのことは、このリレーは瞬時リレーではないということです。バイメタルストリップが最大の動作電流で加熱され変形するのに最小限の時間がかかるため、操作には最小限の遅延があります。グラフから、ロータが突然機械的にブロックされた場合やモータが起動しない場合、熱リレーは25〜30秒後に作動することがわかります。この状況では、モータは供給電源から大量の電流を引き出します。モータがすぐに隔離されない場合、重大な損傷が発生する可能性があります。

この問題は、高ピックアップの時間過電流リレーを設置することで解決されます。これらの過電流リレーの時間電流特性は、低い過負荷値では熱過負荷リレーが先に作動するため、リレーが作動しないように選択されます。しかし、高い過負荷値やロータがブロックされた場合には、熱リレーよりも早く作動する時間過負荷リレーが作動します。
したがって、ビメタル式過負荷リレーと時間過電流リレーの両方が完全なモータの熱過負荷保護のために設置されます。
ビメタル式熱過負荷リレーには、環境温度によってバイメタルの加熱と冷却の速度が影響を受けるという主な欠点があります。そのため、リレーの性能は異なる環境温度で異なる可能性があります。この問題は、RTD（抵抗温度検出器）を使用することで解決できます。大規模で複雑なモータは、RTDを使用してより正確に熱過負荷から保護されます。スタータスロットにRTDがスタータ巻線と共に配置され、RTDの抵抗値は温度の変化に応じて変化し、この抵抗値の変化はウイートストンブリッジ回路によって検出されます。
このモータの熱過負荷保護方式は非常に簡単です。スタータのRTDは、バランスの取れたウイートストンブリッジの一部として使用されます。リレー49を通過する電流量は、ブリッジのバランスの程度に依存します。スタータ巻線の温度が上がると、検出器の電気抵抗が増加し、ブリッジのバランスが乱れます。その結果、リレー49を通過する電流が流れ始め、予定された不平衡電流値に達するとリレーが作動し、最終的にスタータ接触点が開いてモータへの供給電力を停止します。

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