速度制御法とは？電圧制御・界磁制御・抵抗制御を解説【電験三種 機械】

まずは速度制御の基本原理からいくで。

第18講で学んだ回転速度の式、覚えてるか？これが速度制御のすべてのカギを握ってるんや。

この式をじーっと眺めてみ。回転速度 \( n \) を変えるには、右辺のどれかを変えればええわけや。

右辺に出てくる変数を整理してみよか。

まず分子の \( V - I_a R_a \) は逆起電力 \( E \) のことやったな。ここに出てくるのは電源電圧 \( V \) と電機子抵抗 \( R_a \) や。

そして分母には磁束 \( \Phi \) がある。

機械定数 \( k \) は構造で決まる値やから、運転中に変えることはでけへん。ほんなら、速度を変える方法は3つしかないことが分かるな？

この3つの方法、全部ひとつの式 \( n = \frac{V - I_a R_a}{k \Phi} \) から出てきてるんやで。公式を「暗記するもの」やなくて、「速度制御の方法を教えてくれる地図」として見ると、めっちゃ分かりやすくなるやろ？

ほな、次のステップでこの3つの全体像をもうちょっと詳しく見てみよか。

ここで、3つの速度制御法の全体像をまず押さえておくで。

大事なのは、それぞれの制御法が「基底速度」を基準にして使い分けられるということや。

「基底速度」って何やねん？って思うやろ。これは定格電圧・定格磁束で運転したときの回転速度のことや。つまり、すべてが定格値のときの速度が基準になるんやな。

図を見てくれ。速度制御の世界は「基底速度」を境に2つの領域に分かれるんや。

基底速度より遅くしたいときは、電圧を下げる「電圧制御」か、外部抵抗を入れる「抵抗制御」を使う。基底速度より速くしたいときは、磁束を弱める「界磁制御」を使うんや。

なんで基底速度以上は界磁制御なんかっていうと、電圧制御で速度を上げようとすると定格電圧を超えてしまうからや。電圧には上限（定格電圧）があるけど、磁束は弱める方向には調整しやすいんやな。

逆に、界磁制御で速度を下げようとすると磁束を強くせなあかんけど、鉄心が磁気飽和して限界がある。せやから基底速度以下では電圧制御のほうが適してるんや。

ほな次は、まず電圧制御法から詳しく見ていくで。

まずは電圧制御法から見ていくで。

電圧制御法は、名前の通り電源電圧 \( V \) を変えることで回転速度を制御する方法や。

回転速度の式を思い出してみ。

磁束 \( \Phi \) を一定に保ったまま、電源電圧 \( V \) を変えるんや。\( I_a R_a \) の電圧降下は通常小さいから、速度は電圧にほぼ比例すると考えてええ。

でもな、ここで問題がある。「電源電圧を変える」って簡単に言うけど、普通のコンセントの電圧は100Vで固定やろ？工場の動力は200Vで固定やろ？どうやって電圧を変えるねん？

そこで登場するのが、可変電圧電源や。具体的には次の方法があるで。

どの方法も「電動機に供給する電圧を自由に変える」ための仕組みや。ワードレオナード方式は後で詳しくやるから、今は「電圧を変えると速度が変わる」という原理をしっかり押さえておいてな。

図を見てくれ。磁束 \( \Phi \) が一定やから、電圧を下げると速度-トルク特性の線がそのまま下に平行移動するんや。特性線の傾きは変わらへん。これが電圧制御の特徴やで。

電圧制御は効率が良くて特性も安定してるから、現代の直流電動機制御では最もよく使われる方法や。ただし、可変電圧電源というそれなりの設備が必要になるんやな。

ほな、ここまでの理解度を確認してみよか！

ほな、第1問いくで！速度制御の基本を確認しよう。

ほな次は、界磁制御法について見ていくで。

界磁制御法は、界磁電流 \( I_f \) を変えて磁束 \( \Phi \) を調整することで速度を制御する方法や。

回転速度の式をもう一回見てみ。

ここで超大事なポイントがあるで。磁束 \( \Phi \) は分母にあるんや。せやから、磁束を弱めると速度が上がるんやな。逆に磁束を強くすると速度が下がる。

「え？磁束を弱くしたら力が弱くなって速度が下がるんちゃうの？」って思ったやろ。これ、めっちゃよくある誤解やねん。

確かに、磁束を弱めるとトルク \( T = k_T \Phi I_a \) は一瞬減る。でもな、トルクが減ると負荷に対してトルクが足りなくなるから、一瞬だけ速度が下がりかける。すると逆起電力 \( E = k \Phi n \) が減って、電機子電流 \( I_a = \frac{V - E}{R_a} \) が増えるんや。電流が増えることでトルクが回復して、結果的に新しい、より速い速度で安定するんやで。

この過渡的な動作を理解しとくと、「磁束を弱めると速度が上がる」っていう一見直感に反する現象もスッと納得できるやろ。

実際の回路では、分巻電動機の界磁回路に可変抵抗器（界磁調整器）を入れて、界磁電流を調整するのが一般的や。

界磁調整器 \( r \) の抵抗値を大きくすると、界磁電流 \( I_f = \frac{V}{R_f + r} \) が減少して磁束が弱まる。結果として速度が上がるんや。

この方法は「弱め界磁」とも呼ばれるで。次のステップでもう少し詳しく見ていこか。

界磁制御法の特徴をもう少し深掘りするで。

さっき「磁束を弱めると速度が上がる」って話をしたけど、ここで注意せなあかんことがあるんや。

まず、界磁制御は基底速度以上の速度領域で使うのが原則や。なんでかっていうと、磁束を強くして速度を下げようとしても、鉄心の磁気飽和があるから限界があるんやな。定格磁束よりも大幅に強くすることはでけへん。

一方、磁束を弱くする方向には比較的自由に調整できる。ただし、あまりにも磁束を弱くしすぎると問題が出てくるで。

特に分巻電動機で界磁回路が断線すると、磁束がほぼゼロになって異常な高速回転（暴走）を起こす危険性があるんや。第20講で学んだ内容やな。せやから界磁回路の保護は非常に重要やで。

もうひとつ大事な特徴がある。界磁制御では、磁束を弱めると速度は上がるけど、出力は一定に保てるんや。

なんでかっていうと、出力 \( P = E I_a \) で、磁束を弱めて速度が上がっても \( E = k \Phi n \) はほぼ一定（Vに近い値）のままやからや。トルク \( T = k_T \Phi I_a \) は磁束に比例して減るけど、速度が上がる分だけ出力は維持される。これを「定出力特性」っていうんや。

一方、電圧制御では磁束が一定やから、トルクの上限が変わらず、速度に比例して出力が変わる。これを「定トルク特性」っていうんやで。

ほな、界磁制御の理解度を確認する問題にいくで！

ほな、第2問や！界磁制御の理解を確認するで。

3つ目の速度制御法、抵抗制御法を見ていくで。

抵抗制御法は、電機子回路に外部抵抗 \( R_{ext} \) を直列に追加することで速度を制御する方法や。始動抵抗器と似てるけど、目的が違うんやで。始動抵抗器は始動時だけ使って段階的に短絡していくけど、抵抗制御では運転中もずっと外部抵抗を入れたままにするんや。

式を見れば分かるように、外部抵抗 \( R_{ext} \) を大きくすると、分子の \( V - I_a(R_a + R_{ext}) \) が小さくなって、結果として速度が下がるんや。

でもな、この方法には大きな欠点があるんや。外部抵抗に電流が流れるから、\( I_a^2 R_{ext} \) の電力が熱として失われてしまうんやな。これはエネルギーの無駄遣いや。

抵抗制御は効率こそ悪いけど、設備がシンプルで安いから、クレーンや巻上機など、低速運転の頻度が高くない用途では今でも使われることがあるで。ただし、連続的に低速運転する用途には向いてないんやな。

ほな、抵抗制御の問題にチャレンジや！

ほな、第3問や！抵抗制御を確認するで。

ここで、3つの速度制御法をまとめて比較するで。電験三種では「どの制御法がどんな特徴を持っているか」を問う問題がよく出るから、しっかり整理しておこう。

この表は電験三種の定番やで。特に以下の3点を確実に覚えておこう。

実際の産業用直流電動機では、電圧制御と界磁制御を組み合わせることが多いんや。基底速度以下は電圧制御で定トルク運転、基底速度以上は界磁制御で定出力運転。これで広い速度範囲をカバーできるんやで。

この図が電験三種で問われるパターンの典型や。基底速度を境にトルクと出力の関係が変わることを理解しておいてな。

ここで、電圧制御の代表的な実現方法であるワードレオナード方式（Ward-Leonard方式）について詳しく見ていくで。

ワードレオナード方式は、名前は難しそうやけど、仕組みはシンプルや。「別の電動機で発電機を回して、その発電機の出力電圧で制御したい電動機を運転する」という方式やねん。

つまり、電動機（M₁）→ 発電機（G）→ 電動機（M₂）という3台の回転機を使うんや。M₂が制御したい電動機で、Gの出力電圧を調整することでM₂の速度を制御するんやな。

ワードレオナード方式の最大の特徴は、発電機Gの界磁電流を調整するだけで、制御対象の電動機M₂に供給する電圧を自在に変えられることや。

界磁電流は小さな電流やから、小さな電力で大きな電動機の速度を制御できるんやな。しかも、発電機の界磁電流の向きを変えれば出力電圧の極性が反転するから、正転・逆転の切り替えも簡単にできるんやで。

現代では、パワーエレクトロニクスの発展によりサイリスタレオナード方式（サイリスタ整流器を使って可変直流電圧を作る方式）に置き換えられつつあるけど、ワードレオナード方式の原理は電験三種で今でもよく出題されるから、しっかり理解しておいてな。

ほな、第4問や！ワードレオナード方式を確認するで。

続いて第5問や！制御法の使い分けを確認するで。

ここで、実際の現場でどう使い分けられているか見ていくで。

速度制御法は、用途によって求められる特性が違うんや。せやから、適材適所で使い分けることが大切なんやな。

電車を例に考えてみよか。昔の電車は抵抗制御が主流で、加速時に「カクカク」と段階的にスピードが上がっていったんや。これは始動抵抗を段階的に短絡していく動作やな。でも抵抗で電力が熱になるから、省エネとは程遠い方式やった。

現代の電車はサイリスタやインバータを使った電圧制御で、滑らかに加速できて省エネにもなっとる。技術の進歩で、効率の悪い抵抗制御から効率の良い電圧制御へ移行していったんやな。

もうひとつ大事な話があるで。最近は直流電動機自体が交流電動機＋インバータの組み合わせに置き換えられつつあるんや。でも直流電動機の速度制御の原理は、交流電動機の制御理論の基礎にもなってるから、しっかり理解しておく価値は十分あるで。

ほな、電験三種で速度制御がどう出題されるか、よくあるパターンと注意点を整理するで。

パターン1：3つの制御法の特徴を問う問題

「次の記述のうち、正しい（または誤っている）ものはどれか」という形式で出題される。ここで引っかかりやすいのは以下のポイントや。

パターン2：速度変化の計算問題

電圧や磁束を変化させたとき、速度がどう変わるかを計算する問題や。基本は速度の比を使う。

例えば、「電圧制御で \( \Phi \) 一定、\( I_a R_a \) 無視」の場合は：

「界磁制御で \( V \) 一定、\( I_a R_a \) 無視」の場合は：

パターン3：ワードレオナード方式の構成を問う問題

「M-G-M の3台構成」「発電機の界磁で速度制御」「正逆転切替が容易」「回生制動が可能」がキーワードや。

この3パターンを押さえておけば、速度制御の問題はかなりカバーできるで。ほな、実際に計算問題を解いてみよか！

ほな、第6問や！電圧制御の計算問題いくで。

ほな、第7問や！抵抗制御の計算問題にチャレンジしよう。

最後の問題や！速度制御法の総合問題にチャレンジしよう。

お疲れさん！第24講「速度制御法」の学習が完了や！

今回は、直流電動機の回転速度を制御する3つの方法を学んだな。最後にポイントを整理しておくで。

速度制御法は、電験三種の機械科目で非常に出題頻度が高い分野や。特に「基底速度を境にした電圧制御と界磁制御の使い分け」「定トルク特性と定出力特性の違い」は確実に押さえておいてな。