誘導機

誘導電動機のトルク特性曲線をわかりやすく解説【電験三種 機械】

安定領域と不安定領域を見抜けば、電動機の動きが手に取るようにわかる!

進捗: 0%
メインルート

よっしゃ!第17講、始めるで!

前回の第16講では、トルクの基本式 \( T = \frac{P_g}{\omega_s} \) を学んだな。二次入力 \( P_g \) を同期角速度 \( \omega_s \) で割ればトルクが求まるっていう、シンプルやけどめっちゃ大事な公式やった。

今回はな、その「トルク」がすべり s によってどう変化するのかをグラフで見ていくで。これが有名な「トルク-すべり特性曲線」や。電験三種では超頻出のテーマやで!

このグラフを理解すると、「モーターが始動するときにどのくらいのトルクが出るのか」「どこまで負荷を増やしても安全なのか」「どうなったらモーターが停止してしまうのか」が全部わかるようになるんや。エンジニアにとって、このグラフはモーターの健康診断書みたいなもんやと思ってくれ。

📚 この講座で学ぶこと

⚡ トルクをすべりの関数として表す式

⚡ トルク-すべり特性曲線の形状と読み方

⚡ 始動トルク・最大トルク・定格運転点

⚡ 安定領域と不安定領域の違い

⚡ トルクと電源電圧の関係(\( T \propto V^2 \))

⚡ 電験三種でよく出るパターンと注意点

ほな、まずは「トルクをすべりで表す式」から導いていこか!

メインルート

まず、第16講で学んだトルクの式を復習しよか。

トルク \( T \) は二次入力 \( P_g \) を同期角速度 \( \omega_s \) で割ったもんやったな。

\( T = \frac{P_g}{\omega_s} \)
T:トルク [N·m]、P_g:二次入力 [W]、ω_s:同期角速度 [rad/s]

ここで大事なんは、二次入力 \( P_g \) がすべり \( s \) によって変わるっていうことや。等価回路から導くと、一相あたりの二次入力は次のようになるんやで。

L形等価回路で一次インピーダンスを無視した簡略式を使うと、二次電流 \( I_2 \) は第9講で学んだように \( I_2 = \frac{sE_{20}}{\sqrt{r_2^2 + (sx_2)^2}} \) やったな。この電流が流れることで二次入力が決まるわけや。

一次インピーダンスを無視した場合、三相分のトルクの式はこうなるで。

\( T = \frac{3V_1^2}{\omega_s} \cdot \frac{\frac{r_2}{s}}{\left(\frac{r_2}{s}\right)^2 + x_2^2} \)
V₁:一次電圧(相電圧)、r₂:二次抵抗、x₂:二次漏れリアクタンス

この式を少し変形すると、もっと見やすくなるで。分子・分母に \( s^2 \) を掛けると:

\( T = \frac{3V_1^2}{\omega_s} \cdot \frac{sr_2}{r_2^2 + s^2 x_2^2} \)
これが「トルクをすべりの関数で表した式」や!

この式をよーく見てみ。\( V_1 \)、\( \omega_s \)、\( r_2 \)、\( x_2 \) は電動機の定数や。つまり、トルク T はすべり s だけの関数になっとるんや!

せやから、すべり \( s \) を横軸、トルク \( T \) を縦軸にとったグラフを描けば、「すべりが変わるとトルクがどう変化するか」が一目でわかるんや。これがトルク-すべり特性曲線や。

メインルート

ほな、実際にトルク-すべり特性曲線がどんな形をしてるか見てみよか。

トルク-すべり特性曲線 s T 0 1 sm 最大トルク Tm Tm 定格 始動トルク Ts Ts Ns 0 ← 回転速度 N T=0

これがトルク-すべり特性曲線や!この曲線の形をしっかり頭に入れてくれ。めっちゃ特徴的な形をしてるやろ?

まず、この曲線の読み方を整理するで。横軸はすべり \( s \) で、左端が \( s = 0 \)(同期速度で回転=回転磁界と同じ速さ)、右端が \( s = 1 \)(停止状態=始動時)や。注意してほしいんは、横軸の左に行くほど速く回ってるということやで。

ほな、曲線上の重要ポイントを一つずつ見ていこか。

① s = 0(左端):トルク = 0
回転子が同期速度ぴったりで回ってる状態や。このとき、回転磁界と回転子の間に相対速度がないから、誘導起電力が発生せーへん。電流も流れへんから、トルクもゼロや。

② s が少し増える(定格運転点あたり):トルクが急上昇
すべりが増えると二次電流が流れ始めて、トルクが急激に増加するんや。定格運転はこのあたりで、すべりは通常 0.02〜0.05 くらいやで。

③ s = sm(最大トルク点):トルクが最大値 Tm に到達
ある特定のすべり \( s_m \) でトルクが最大になるんや。これを最大トルク(停動トルク)って呼ぶ。ここを超えると曲線が下がり始めるのがポイントやで。

④ s = 1(右端):始動トルク Ts
回転子が停止してる状態、つまり始動時のトルクや。一般に、始動トルクは最大トルクよりも小さいで。

📌 曲線の形のイメージ

⚡ s = 0 でゼロから始まり、急上昇してピーク(最大トルク)に達する

⚡ ピークを過ぎると緩やかに下降して、s = 1 で始動トルクに至る

⚡ 曲線は左右非対称で、ピークは s が小さい側に偏っている

メインルート

「なんでトルク曲線は途中で山になって下がるんや?」って思うやろ。これ、めっちゃ大事なポイントやから、しっかり説明するで。

トルクの式をもう一回見てみよか。

\( T = \frac{3V_1^2}{\omega_s} \cdot \frac{sr_2}{r_2^2 + s^2 x_2^2} \)

この式の中で、すべり \( s \) に関係する部分は \( \frac{sr_2}{r_2^2 + s^2 x_2^2} \) やな。ここに注目してくれ。

すべりが小さいとき(s ≈ 0 付近):
分母の \( s^2 x_2^2 \) は \( s \) が小さいから、ほぼ無視できるくらい小さい。分母は \( r_2^2 \) でほぼ一定や。一方、分子の \( sr_2 \) は \( s \) に比例して増える。せやから、すべりが小さい範囲ではトルクは s にほぼ比例して増加するんや。

🚗 たとえるなら、アクセルを踏み始めたところや。すべりが増える(速度が少し落ちる)と、その分だけ素直にトルクが増える。「踏んだ分だけ出る」感覚やな。

すべりが大きいとき(s → 1 付近):
今度は分母の \( s^2 x_2^2 \) がどんどん大きくなる。分子の \( sr_2 \) も増えるけど、分母の増え方の方が速い(\( s^2 \) やからな!)。せやから、すべりが大きい範囲ではトルクは減少していくんや。

もっと本質的に言うとな、すべりが大きくなると二次電流の力率が悪くなるんや。二次回路のリアクタンスは \( sx_2 \) やから、すべりが大きいほどリアクタンスが大きくなって、電流と電圧の位相差が広がる。電流は流れてるのに、トルクに寄与する成分(有効成分)が減ってしまうんや。

🚣 これ、ボートを漕ぐのにたとえるとわかりやすいで。オールを水にまっすぐ入れて漕いだら(力率が良い)前に進むやろ?でもオールを斜めにして漕いだら(力率が悪い)、力は入れてるのに前に進む力が弱くなるわな。すべりが大きくなるというのは、オールがどんどん斜めになっていくイメージや。

つまり、「電流の増加」と「力率の低下」が綱引きしてるんや。すべりが小さいうちは電流増加が勝ってトルクが増えるけど、あるポイント(最大トルク点)を超えると力率低下の方が勝ってトルクが減り始める。これが曲線が山型になる理由やで。

📌 トルク曲線が山型になる理由まとめ

⚡ s が小さい領域:二次電流の増加がトルク増加に直結 → トルク上昇

⚡ s が大きい領域:二次電流の力率低下が支配的 → トルク減少

⚡ 境界(s = sm):電流増加と力率低下が釣り合う → 最大トルク

ええか、この「なぜ山型になるのか」は電験でも記述問題や穴埋めで狙われるところやで。「力率の低下」がキーワードや。しっかり覚えとこな!

ほな、ここまでの理解を問題で確認してみよか!

メインルート
🧠 問題1(10点)

トルク-すべり特性曲線において、すべり \( s = 0 \) のときのトルクはいくらか。次の中から正しいものを選べ。

サポートルート

大丈夫や、整理しよか。

すべり \( s = 0 \) っていうのは、回転子が回転磁界とまったく同じ速さで回ってる状態やで。つまり回転速度 \( N = N_s \)(同期速度)ということや。

回転子が磁界と同じ速さで回ったら、回転子の導体と磁束の間に相対運動がないやろ?相対運動がないと、電磁誘導が起こらへん。誘導起電力がゼロなら、電流もゼロ。電流がゼロなら、トルクもゼロや。

せやから、\( s = 0 \) のとき \( T = 0 \) なんやで。

🔄 サポート問題(5点)

では、\( s = 1 \) はどのような状態を表すか。

発展ルート
🔥 発展問題(15点)

トルクの式 \( T \propto \frac{sr_2}{r_2^2 + s^2 x_2^2} \) において、すべり \( s \) を大きくしていくとある点を過ぎてトルクが減少する。この主な原因として最も適切なものはどれか。

メインルート

さあ、ここからが今回の最重要テーマや。トルク-すべり特性曲線には「安定領域」と「不安定領域」があるんやで。

結論から言うと、最大トルク点(\( s = s_m \))を境にして、曲線は2つの領域に分かれるんや。

安定領域と不安定領域 s T 0 1 安定領域 不安定領域 sm Tm TL A B 0 < s < sm sm < s < 1

🟢 安定領域(0 < s < sm):
最大トルク点よりも左側(すべりが小さい側)の領域や。この領域が「安定」と呼ばれる理由は、負荷が変動しても電動機が自動的に平衡状態に戻るからなんや。

たとえば、A点で運転中に負荷が少し増えたとしよう。負荷が増えると速度が少し下がる(sが増える)。安定領域ではsが増えるとトルクも増えるから、増えた負荷に打ち勝って、新しいバランス点に落ち着くんや。

🔴 不安定領域(sm < s < 1):
最大トルク点よりも右側(すべりが大きい側)の領域や。この領域で負荷が増えると、速度が下がる(sが増える)→ するとトルクが減少する!→ 負荷に負けてさらに速度が下がる → さらにトルクが減る… という悪循環に陥って、最終的に電動機が停止(ストール)してしまうんや。

🏔️ 安定領域は「谷底」、不安定領域は「山の尾根」にたとえるとわかりやすいで。谷底にボールを置いたら、ちょっと押しても元に戻るやろ?(安定)でも山の尾根にボールを置いたら、ちょっと押したらコロコロ転がり落ちてしまうわな(不安定)。電動機の動作も同じ原理やで。

📌 安定・不安定の判定法

⚡ すべりが増えたとき(速度が下がったとき)にトルクが増える → 安定

⚡ すべりが増えたとき(速度が下がったとき)にトルクが減る → 不安定

⚡ 境界は最大トルク点(\( s = s_m \))

メインルート

安定領域と不安定領域をもう少し深掘りするで。実際の動作を考えるには、負荷トルク \( T_L \)との関係が大事なんや。

電動機が定常状態で回るためには、電動機が出すトルク \( T \) と、負荷のトルク \( T_L \) が釣り合わなあかん。つまり \( T = T_L \) になる点が「動作点」(運転点)や。

前のステップの図を見てくれ。負荷トルク \( T_L \) の水平線がトルク曲線と2箇所で交わっとるやろ?A点とB点や。どっちも \( T = T_L \) を満たしてるけど、実際に安定して運転できるのはA点だけなんや。

A点(安定領域)で負荷が少し増えた場合:

状況: \( T_L \) がわずかに増加

→ 一時的に \( T_L > T \) となり、速度が低下(s が増加)

→ 安定領域ではグラフの傾きが右上がりだから、s が増えると T も増加

→ すぐに \( T = T_L \) となる新しい平衡点に達する ✅

B点(不安定領域)で負荷が少し増えた場合:

状況: \( T_L \) がわずかに増加

→ 一時的に \( T_L > T \) となり、速度が低下(s が増加)

→ 不安定領域ではグラフの傾きが右下がりだから、s が増えると T が減少!

→ ますます \( T_L > T \) の差が広がる → さらに速度低下 → さらにトルク低下

→ 最終的に電動機が停止してしまう ❌

これがストール(停動)や。電動機にとっては非常に危険な状態やで。停止状態で大電流(始動電流)が流れ続けるから、巻線が過熱して焼損する恐れがあるんや。

せやから実際の運転では、負荷トルクが最大トルク Tm を超えないように設計・管理する必要があるんやで。もし負荷が最大トルクを超えたら、安定領域にもう交点が存在せーへんから、電動機はストールするしかないんや。

📌 覚えておくべきポイント

⚡ 通常運転は安定領域(0 < s < sm)のA点で行われる

⚡ 負荷トルクが最大トルクを超えるとストール(停動)する

⚡ 最大トルク Tm は「電動機が耐えられる限界」を示す重要な値

ほな、安定領域と不安定領域の理解を問題で確認しよか!

メインルート
🧠 問題2(10点)

誘導電動機のトルク-すべり特性曲線において、安定運転できる領域はどれか。ただし、\( s_m \) は最大トルクを発生するすべりとする。

サポートルート

大丈夫や、ポイントを整理するで。

安定領域のキーワードは「sが増えたらTも増える」や。グラフで言うと、右上がりの部分やな。それは曲線の左側、つまり \( 0 < s < s_m \) の範囲やで。

不安定領域は逆に「sが増えるとTが減る」部分。これは曲線の右側、\( s_m < s < 1 \) やな。負荷が増えてもトルクが追いつかへんから、電動機が止まってしまう危険な領域や。

🔄 サポート問題(5点)

安定領域で電動機の負荷が少し増加すると、どうなるか。

発展ルート
🔥 発展問題(15点)

不安定領域で運転中の誘導電動機において、負荷トルクが最大トルク \( T_m \) を超えた場合、どのような現象が起こるか。

メインルート

ええぞ!次は、安定領域と不安定領域の境界である最大トルク点のすべり \( s_m \) について詳しく見ていくで。

第18講で本格的にやるんやけど、ここでは最低限必要な知識を先取りしておこう。

トルクの式 \( T = \frac{3V_1^2}{\omega_s} \cdot \frac{sr_2}{r_2^2 + s^2 x_2^2} \) をすべり \( s \) で微分して、\( \frac{dT}{ds} = 0 \) とすると、最大トルクを発生するすべりが求まるんや。計算の結果はこうなるで:

\( s_m = \frac{r_2}{x_2} \)
sm:最大トルク時のすべり、r₂:二次抵抗、x₂:二次漏れリアクタンス
(一次インピーダンスを無視した場合)

この式のすごいところはな、sm は二次抵抗 r₂ と二次リアクタンス x₂ だけで決まるということや。電圧は関係あらへん。

これが意味することを考えてみよか。\( r_2 \) が大きい電動機は \( s_m \) も大きくなるやろ?つまり、最大トルク点が曲線の右側(始動側)にずれるんや。逆に \( r_2 \) が小さい電動機は \( s_m \) も小さくて、最大トルク点が左側(同期速度側)に寄る。

これは次回以降の「比例推移」の話にもつながる大事な性質やから、しっかり押さえとこな!

📌 sm に関するポイント

⚡ \( s_m = \frac{r_2}{x_2} \):二次回路の定数だけで決まる

⚡ r₂ を大きくすると sm も大きくなる(最大トルク点が右にずれる)

⚡ 電源電圧は sm に影響しない

メインルート
🧠 問題3(15点)

三相誘導電動機の二次回路定数が、二次抵抗 \( r_2 = 0.4 \) Ω、二次漏れリアクタンス \( x_2 = 2.0 \) Ω であるとき、最大トルクを発生するすべり \( s_m \) の値として正しいものはどれか。ただし、一次インピーダンスは無視する。

サポートルート

落ち着いて考えよか。最大トルク時のすべりの公式は覚えてる?

\( s_m = \frac{r_2}{x_2} \) やで。二次抵抗を二次リアクタンスで割るだけの簡単な式や。

今回は \( r_2 = 0.4 \) Ω、\( x_2 = 2.0 \) Ω やから、\( s_m = \frac{0.4}{2.0} = 0.2 \) やな。

🔄 サポート問題(5点)

\( s_m = \frac{r_2}{x_2} \) の式で、\( r_2 \) は何を表すか。

発展ルート
🔥 発展問題(15点)

二次抵抗 \( r_2 = 1.0 \) Ω、二次漏れリアクタンス \( x_2 = 2.0 \) Ω の三相誘導電動機がある。一次インピーダンスを無視するとき、始動トルク \( T_s \) は最大トルク \( T_m \) の何倍になるか。

ヒント:\( \frac{T_s}{T_m} = \frac{2s_m}{1 + s_m^2} \)

メインルート

ここからは、トルク-すべり特性曲線上の定格運転点について深掘りしていくで。

定格運転点っていうのは、電動機が「メーカーが想定した通りの条件」で運転してるときの状態のことや。定格電圧をかけて、定格負荷をつないで、定格回転数で回ってる——そのときの動作点やな。

定格運転点はトルク-すべり特性曲線のどこにあるかっていうと、安定領域の左端付近や。つまり、すべりがかなり小さいところで運転してるんや。

なんでかっていうとな、すべりが小さいということは、回転速度が同期速度に近いということやろ?実際、一般的なかご形誘導電動機の定格すべりは \( s = 0.02 \)〜\( 0.05 \) 程度、つまり2%〜5%くらいなんや。

🏃 マラソンでたとえたら、先頭ランナー(回転磁界)のすぐ後ろを走ってる状態やな。ペースメーカーのほんの少し後ろについて走ってるイメージ。ほとんど同じ速さやけど、わずかに遅れてる。

定格運転点がこの位置にあることには、ちゃんと理由があるんやで。

理由①:効率が高い
すべりが小さいほど機械出力 \( P_2 = (1-s)P_g \) の割合が大きくなるから、エネルギーのロスが少ない。s = 0.03 やったら、二次入力の97%が機械出力になるんや。

理由②:安定余裕がある
定格トルクから最大トルクまでには十分な余裕がある。この余裕があるおかげで、一時的な負荷変動にも耐えられるんや。最大トルクと定格トルクの比を「過負荷耐量」って呼ぶで。一般に 2〜3 倍くらいの余裕がある。

📌 定格運転点のまとめ

⚡ 安定領域の左端付近、すべり s = 0.02〜0.05 で運転

⚡ 回転速度は同期速度の 95%〜98% 程度

⚡ 効率が高く、最大トルクまでの余裕(過負荷耐量)がある

メインルート
🧠 問題4(10点)

一般的なかご形三相誘導電動機の定格運転時のすべりは、通常どの程度の範囲か。

サポートルート

整理するで。誘導電動機は、回転磁界にほぼ追いついて回転してるんや。

たとえば4極・50Hzなら同期速度は1500 min⁻¹ やろ?定格回転速度は1440〜1470 min⁻¹くらいや。つまり、同期速度のほんの数%だけ遅い。これがすべり2%〜5%っていう意味やで。

🔄 サポート問題(5点)

定格運転点は、トルク-すべり曲線のどこに位置するか。

発展ルート
🔥 発展問題(15点)

4極、50 Hz の三相誘導電動機が定格すべり \( s = 0.04 \) で運転している。このときの回転速度 \( N \) [min⁻¹] はいくらか。

メインルート

さあ、次は電験三種でめっちゃよく出るテーマや。トルクと電源電圧の関係やで。

トルクの式をもう一回見てみよか。

\( T = \frac{3V_1^2}{\omega_s} \cdot \frac{sr_2}{r_2^2 + s^2 x_2^2} \)

この式で、\( V_1^2 \) がかかってるのが見えるやろ?ここから導かれる超重要な関係がこれや:

\( T \propto V_1^2 \)
トルクは電源電圧の2乗に比例する

これがどういう意味かっていうとな:

・電圧を 2倍 にすると → トルクは \( 2^2 = 4 \) になる
・電圧を 1/2倍 にすると → トルクは \( (1/2)^2 = 1/4 \) になる
・電圧を 80%(0.8倍)にすると → トルクは \( 0.8^2 = 0.64 \) (64%)になる

注意してほしいのは、最大トルク Tm も電圧の2乗に比例するということや。でも、最大トルク時のすべり \( s_m = \frac{r_2}{x_2} \) は電圧に関係あらへん。

電源電圧とトルク曲線の変化 s T 0 1 sm V (100%) 0.8V (64%) 0.5V (25%) sm は電圧によらず同じ位置

図を見てくれ。電圧を下げるとトルク曲線全体が下に縮むのがわかるやろ?でも最大トルク点の横位置(sm)は変わらへん。これは電験でかなり狙われるポイントやで。

📌 電圧とトルクの関係まとめ

⚡ \( T \propto V^2 \):トルクは電圧の2乗に比例

⚡ 最大トルク \( T_m \) も \( V^2 \) に比例して変化する

⚡ 最大トルク時のすべり \( s_m \) は電圧によらず一定

メインルート
🧠 問題5(15点)

三相誘導電動機の電源電圧を定格値の \( \frac{1}{2} \) 倍に低下させた。このとき、トルクは定格電圧時の何倍になるか。

サポートルート

この問題のポイントは「\( T \propto V^2 \)」や。トルクは電圧の2乗に比例するんやで。

「1乗」やないで!電圧を半分にしたら、トルクは \( \left(\frac{1}{2}\right)^2 = \frac{1}{4} \) 倍になるんや。

🔄 サポート問題(5点)

トルクと電源電圧の関係として正しいのはどちらか。

発展ルート
🔥 発展問題(15点)

定格電圧 200 V で最大トルクが 100 N·m の三相誘導電動機がある。電源電圧を 160 V に低下させたとき、最大トルクはいくらになるか。

メインルート
🧠 問題6(15点)

トルク-すべり特性曲線における不安定領域の説明として、正しいものはどれか。

サポートルート

「不安定」の意味をもう一度考えてみよか。

不安定っていうのは、ちょっとした変化で「元に戻れへん」ということや。不安定領域(sm < s < 1)では、すべりが増えるとトルクが減る。だから負荷に追いつけなくなって電動機が止まってしまうんやで。

🔄 サポート問題(5点)

安定領域と不安定領域の境界となるのは何か。

発展ルート
🔥 発展問題(15点)

最大トルク点でのすべり \( s_m = 0.2 \) の誘導電動機が、定格すべり \( s = 0.03 \) で運転中、負荷トルクが定格値の2倍に急増した。この電動機の過負荷耐量(最大トルク/定格トルク)が 2.5 であるとき、電動機の運転はどうなるか。

メインルート

ここまでよう頑張ったな!ここで、電験三種でのトルク特性曲線の出題パターンをまとめておくで。これを知っておくと、本番で慌てへんようになるで。

パターン①:曲線の形状・特徴を問う問題
「トルク-すべり特性曲線の説明として正しい(誤っている)ものはどれか」というタイプや。安定領域・不安定領域の定義、s=0やs=1での値、曲線が山型になる理由なんかが問われるで。

パターン②:電圧変化の影響を問う問題
「電源電圧を○○倍にしたとき、トルクは何倍になるか」というタイプ。\( T \propto V^2 \) を使うだけやけど、「2乗」を忘れて「1乗」で計算してしまうミスが多いんや。

パターン③:sm の計算問題
\( s_m = \frac{r_2}{x_2} \) を使って最大トルク時のすべりを求めるもの。次回の第18講で詳しくやるけど、この公式はこの講座でも出てきたから復習やな。

パターン④:始動トルクと最大トルクの比
\( \frac{T_s}{T_m} = \frac{2s_m}{1 + s_m^2} \) を使って比率を求める問題。この公式は導出も含めて覚えておきたいところやで。

📌 よくある間違いトップ3

⚡ ❌ T ∝ V と計算してしまう → ⭕ T ∝ V² が正しい

⚡ ❌ 安定領域を sm < s < 1 と間違える → ⭕ 0 < s < sm が安定

⚡ ❌ sm が電圧に依存すると思う → ⭕ sm = r₂/x₂ で電圧は無関係

ほな、総合的な問題に挑戦してみよか!

メインルート
🧠 問題7(20点)

三相誘導電動機のトルク-すべり特性に関する記述として、誤っているものはどれか。ただし、一次インピーダンスは無視するものとする。

サポートルート

一つずつ確認するで。

最大トルクの式は \( T_m = \frac{3V_1^2}{2\omega_s x_2} \) や。ここに \( r_2 \) は入ってへんやろ?つまり、最大トルクの大きさは二次抵抗に依存せーへんのや。②の「比例する」は誤りやで。

ちなみに③の「最大トルクを発生するすべり」\( s_m = \frac{r_2}{x_2} \) は r₂ に比例する。これは正しいで。「大きさ」と「すべり」を混同しないように注意やな。

🔄 サポート問題(5点)

最大トルクの大きさに影響を与えるのは、次のうちどちらか。

発展ルート
🔥 発展問題(20点)

三相誘導電動機の定数が \( r_2 = 0.3 \) Ω、\( x_2 = 1.5 \) Ω、一次相電圧 \( V_1 = 200 \) V、同期角速度 \( \omega_s = 100\pi \) rad/s であるとき、一次インピーダンスを無視した場合の最大トルク \( T_m \) [N·m] として最も近いものはどれか。

ヒント:\( T_m = \frac{3V_1^2}{2\omega_s x_2} \)

メインルート

ここで、今回学んだ公式と重要事項を整理するで。最後の問題の前にしっかり頭を整理しよか!

\( T = \frac{3V_1^2}{\omega_s} \cdot \frac{sr_2}{r_2^2 + s^2 x_2^2} \)
トルクのすべり関数式(一次インピーダンス無視)
\( s_m = \frac{r_2}{x_2} \)
最大トルクを発生するすべり
\( T_m = \frac{3V_1^2}{2\omega_s x_2} \)
最大トルク(r₂ に依存しない!)
\( \frac{T_s}{T_m} = \frac{2s_m}{1 + s_m^2} \)
始動トルクと最大トルクの比
\( T \propto V_1^2 \)
トルクは電源電圧の2乗に比例

📌 安定領域と不安定領域

安定領域(0 < s < sm):s↑ → T↑(自動復帰する)

不安定領域(sm < s < 1):s↑ → T↓(ストールの危険)

⚡ 定格運転点は安定領域の左端(s = 0.02〜0.05)

⚡ 負荷トルク > Tm → ストール(停動)

📌 sm と Tm の二次抵抗との関係

⚡ sm は r₂ に比例(r₂ を大きくすると sm が大きくなる)

⚡ Tm は r₂ に無関係(r₂ を変えても Tm は変わらない)

⚡ これが「比例推移」の基礎になる(第19講で詳しく学ぶ)

よっしゃ、ほな最終問題いくで!

メインルート
🧠 問題8(25点)

三相誘導電動機のトルク-すべり特性に関する次の記述 A〜D について、正しいものの組合せはどれか。ただし、一次インピーダンスは無視するものとする。

A: 安定運転領域は、すべりが小さい側(0 < s < sm)である。

B: 電源電圧が低下すると、最大トルクも最大トルク時のすべり sm も小さくなる。

C: 二次抵抗を大きくすると、始動トルクが大きくなる場合がある。

D: 不安定領域では、負荷の増加に対してモーターが自動的に速度を調整して安定する。

サポートルート

一つずつ確認しよか。

A:安定領域は 0 < s < sm → 正しい。これは間違いないな。

B:電圧低下 → Tm は \( V^2 \) に比例するから小さくなるけど、sm = r₂/x₂ は電圧と無関係やから変わらへん → 誤り

C:r₂ を増やすと sm が大きくなって、トルク曲線の山が右にずれるんや。sm < 1 の場合、始動トルクは増加する場合がある → 正しい

D:不安定領域は「自動安定」の逆で、悪循環に陥る → 誤り

正しいのは A と C の組合せやで。

🔄 サポート問題(5点)

二次抵抗 r₂ を大きくすると、最大トルクを発生するすべり sm はどうなるか。

発展ルート
🔥 発展問題(20点)

ある三相誘導電動機で、最大トルク時のすべり \( s_m = 0.5 \)、始動トルク \( T_s = 80 \) N·m である。一次インピーダンスを無視するとき、最大トルク \( T_m \) [N·m] の値として正しいものはどれか。

ヒント:\( \frac{T_s}{T_m} = \frac{2s_m}{1 + s_m^2} \)

メインルート

お疲れさん!第17講「トルク-すべり特性曲線」、完走や!

今回は誘導電動機の中でも最も重要なグラフであるトルク-すべり特性曲線について学んだな。このグラフが読めるようになれば、電動機の動作を手に取るように理解できるで。

今回の学習内容を振り返ろか:

📝 第17講のまとめ

⚡ トルクはすべりの関数:\( T = \frac{3V_1^2}{\omega_s} \cdot \frac{sr_2}{r_2^2 + s^2 x_2^2} \)

⚡ 曲線は山型:s が小さい側で上昇し、sm でピーク、その後減少

安定領域(0 < s < sm):実際の運転はここで行う

不安定領域(sm < s < 1):ストールの危険

⚡ \( T \propto V^2 \):トルクは電圧の2乗に比例

⚡ sm は r₂/x₂ で決まり、電圧には無関係

⚡ Tm は r₂ に無関係(x₂ と V にのみ依存)

📚 次回予告:第18講「最大トルクと最大トルク条件」

次回は、最大トルクの公式をしっかり導出して、\( s_m = \frac{r_2}{x_2} \) の意味をさらに深掘りするで。最大トルク条件の導き方、一次インピーダンスを考慮した場合の式、そして電験での計算問題のパターンを徹底的にやるで!

🎉 第17講 完了!

今回のスコア 0

📊 学習の記録

    📚 次回予告:第18講「最大トルクと最大トルク条件」

    最大トルクの公式を完全導出! \( s_m = \frac{r_2}{x_2} \) の意味と計算パターンをマスターしよう!

    次の講座へ進む