過去問一覧第二種電気主任技術者2022年度 機械・制御三相かご形誘導電動機のL形等価回路による諸特性計算
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三相かご形誘導電動機のL形等価回路による諸特性計算

回転機
第二種電気主任技術者 2022年度 機械・制御 問2

定格線間電圧 200 V 200 \ \mathrm {V} ,定格周波数 50 Hz 50 \ \mathrm {Hz} ,4 4 極の三相かご形誘導電動機がある。
この電動機の三相星形結線 1 1 相分の L \mathrm {L} 形等価回路の定数を,
励磁アドミタンス y˙0=0.05−j0.1 S {\dot y}_{0}=0.05-\mathrm {j}0.1 \ \mathrm {S} ,
一次巻線抵抗 r1=0.1 Ω r_{1}=0.1 \ \mathrm {\Omega } ,
一次漏れリアクタンス x1=0.3 Ω x_{1}=0.3 \ \mathrm {\Omega } ,
二次抵抗の一次換算値 r2′=0.15 Ω r_{2}^{\prime }=0.15 \ \mathrm {\Omega } ,
二次漏れリアクタンスの一次換算値 x2′=0.5 Ω x_{2}^{\prime }=0.5 \ \mathrm {\Omega }
とする。

この誘導電動機を定格電圧,定格周波数の三相交流電源に接続して,運転している。
そのときの回転速度が 1 455 min−1 1 \ 455 \ \mathrm {min ^{-1}} である。この電動機について次の値を求めよ。

(1) 電動機の滑り s [%] s \ \mathrm {[%]}
(2) 励磁電流 I˙0 [A] {\dot I}_{0} \ \mathrm {[A]}
(3) 二次電流の一次換算値 I˙2′ [A] {\dot I}_{2}^{\prime } \ \mathrm {[A]}
(4) 銅損 [W] \mathrm {[W]}
(5) 電動機の入力電流 I1 [A] I_{1} \ \mathrm {[A]}
(6) 電動機の入力力率 [%] [%]

解説

問題のポイントと全体像

本問は、三相誘導電動機の「L形等価回路」を用いた標準的かつ総合的な計算問題です。計算にあたっては以下の2点を厳密に押さえることが重要です。

  • 1相分の星形(Y)等価回路で計算する: 与えられている定格電圧 200 V200\ \mathrm{V} は線間電圧です。1相分の相電圧の大きさは V1=2003 VV_1 = \dfrac{200}{\sqrt{3}}\ \mathrm{V} となり、これを基準位相(実数)に設定します。
  • L形等価回路の回路構成: 励磁回路が電源端子側に並列接続されているため、入力電流 I˙1\dot{I}_1 は励磁電流 I˙0\dot{I}_0 と二次電流の一次換算値 I˙2′\dot{I}_2' のベクトル和(I˙1=I˙0+I˙2′\dot{I}_1 = \dot{I}_0 + \dot{I}_2')で求められます。

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(1) 電動機の滑り s [%]s\ [\%]

回転速度 NN から滑り ss を求めるには、まず電源周波数 ff と極数 pp から同期速度 NsN_{\mathrm{s}} を算出します。

同期速度 NsN_{\mathrm{s}} は、

Ns=120fp=120×504=1 500 [min−1]N_{\mathrm{s}} = \frac{120f}{p} = \frac{120 \times 50}{4} = 1\ 500\ \mathrm{[min^{-1}]}

したがって、回転速度 N=1 455 min−1N = 1\ 455\ \mathrm{min^{-1}} における滑り ss は、

s=Ns−NNs×100=1 500−1 4551 500×100=451 500×100=3.0 [%]s = \frac{N_{\mathrm{s}} - N}{N_{\mathrm{s}}} \times 100 = \frac{1\ 500 - 1\ 455}{1\ 500} \times 100 = \frac{45}{1\ 500} \times 100 = 3.0\ [\%]

3.0 [%]3.0\ [\%]

※以降の回路計算では、百分率ではなく実数 s=0.03s = 0.03 を使用します。

(2) 励磁電流 I˙0 [A]\dot{I}_0\ [\mathrm{A}]

L形等価回路では、励磁アドミタンス y˙0\dot{y}_0 に1相分の端子電圧 V˙1\dot{V}_1 が直接加わります。
相電圧を位相の基準(実軸)とすると、

V˙1=2003≈115.47 [V]\dot{V}_1 = \frac{200}{\sqrt{3}} \approx 115.47\ \mathrm{[V]}

アドミタンスを用いたオームの法則 I˙0=y˙0V˙1\dot{I}_0 = \dot{y}_0 \dot{V}_1 より、

I˙0=y˙0V˙1=(0.05−j0.1)×2003=103−j203≈5.7735−j11.547 [A]\begin{aligned} \dot{I}_0 &= \dot{y}_0 \dot{V}_1 \\[5pt] &= (0.05 - \mathrm{j}0.1) \times \frac{200}{\sqrt{3}} \\[5pt] &= \frac{10}{\sqrt{3}} - \mathrm{j}\frac{20}{\sqrt{3}} \\[5pt] &\approx 5.7735 - \mathrm{j}11.547\ \mathrm{[A]} \end{aligned}

有効数字3桁にまとめると、

I˙0=5.77−j11.5 [A]\dot{I}_0 = 5.77 - \mathrm{j}11.5\ [\mathrm{A}]

(3) 二次電流の一次換算値 I˙2′ [A]\dot{I}_2'\ [\mathrm{A}]

直列枝の合成インピーダンス Z˙\dot{Z} は、一次巻線抵抗 r1r_1、滑りにより変化する二次等価抵抗 r2′s\dfrac{r_2'}{s}、および漏れリアクタンス (x1+x2′)(x_1 + x_2') の直列接続となります。

合成インピーダンス Z˙\dot{Z} は、

Z˙=(r1+r2′s)+j(x1+x2′)=(0.1+0.150.03)+j(0.3+0.5)=(0.1+5.0)+j0.8=5.1+j0.8 [Ω]\begin{aligned} \dot{Z} &= \left( r_1 + \frac{r_2'}{s} \right) + \mathrm{j}(x_1 + x_2') \\[5pt] &= \left( 0.1 + \frac{0.15}{0.03} \right) + \mathrm{j}(0.3 + 0.5) \\[5pt] &= (0.1 + 5.0) + \mathrm{j}0.8 = 5.1 + \mathrm{j}0.8\ \mathrm{[\Omega]} \end{aligned}

したがって、二次電流の一次換算値 I˙2′\dot{I}_2' は、

I˙2′=V˙1Z˙=115.475.1+j0.8=115.47(5.1−j0.8)5.12+0.82=115.47(5.1−j0.8)26.01+0.64=115.4726.65×(5.1−j0.8)≈4.3328×(5.1−j0.8)≈22.097−j3.4663 [A]\begin{aligned} \dot{I}_2' &= \frac{\dot{V}_1}{\dot{Z}} = \frac{115.47}{5.1 + \mathrm{j}0.8} \\[5pt] &= \frac{115.47(5.1 - \mathrm{j}0.8)}{5.1^2 + 0.8^2} = \frac{115.47(5.1 - \mathrm{j}0.8)}{26.01 + 0.64} \\[5pt] &= \frac{115.47}{26.65} \times (5.1 - \mathrm{j}0.8) \\[5pt] &\approx 4.3328 \times (5.1 - \mathrm{j}0.8) \\[5pt] &\approx 22.097 - \mathrm{j}3.4663\ \mathrm{[A]} \end{aligned}

有効数字3桁にまとめると、

I˙2′=22.1−j3.47 [A]\dot{I}_2' = 22.1 - \mathrm{j}3.47\ [\mathrm{A}]

(4) 銅損 Pc [W]P_{\mathrm{c}}\ [\mathrm{W}]

銅損は、電動機の巻線抵抗(一次巻線抵抗 r1r_1 および二次巻線抵抗 r2′r_2')で消費されるジュール熱です。
等価回路の二次側抵抗 r2′s\dfrac{r_2'}{s} は以下のように分解されます。

r2′s=r2′+r2′1−ss\frac{r_2'}{s} = r_2' + r_2'\frac{1-s}{s}

このうち、熱として失われる銅損に対応するのは実抵抗 r2′r_2' のみであり、残りの r2′1−ssr_2'\dfrac{1-s}{s} は機械出力(トルク発生)に変換されます。そのため、銅損の計算には必ず r2′r_2' を用います。

L形等価回路では直列枝に流れる電流 I2′I_2' により一次および二次の銅損が生じます。三相分であるため 33 倍することを忘れずに計算します。

電流の大きさの2乗は、

I2′2=V12∣Z˙∣2=(200/3)226.65=40 000/326.65≈500.31 [A2]{I_2'}^2 = \frac{V_1^2}{|\dot{Z}|^2} = \frac{(200/\sqrt{3})^2}{26.65} = \frac{40\ 000 / 3}{26.65} \approx 500.31\ \mathrm{[A^2]}

(または I2′=22.0972+(−3.4663)2≈22.367 AI_2' = \sqrt{22.097^2 + (-3.4663)^2} \approx 22.367\ \mathrm{A} より I2′2≈500.31{I_2'}^2 \approx 500.31)

三相分の銅損 PcP_{\mathrm{c}} は、

Pc=3r1I2′2+3r2′I2′2=3(r1+r2′)I2′2=3×(0.1+0.15)×500.31=3×0.25×500.31=0.75×500.31≈375.23 [W]\begin{aligned} P_{\mathrm{c}} &= 3 r_1 {I_2'}^2 + 3 r_2' {I_2'}^2 \\[5pt] &= 3(r_1 + r_2'){I_2'}^2 \\[5pt] &= 3 \times (0.1 + 0.15) \times 500.31 \\[5pt] &= 3 \times 0.25 \times 500.31 = 0.75 \times 500.31 \\[5pt] &\approx 375.23\ \mathrm{[W]} \end{aligned}

有効数字3桁にまとめると、

375 [W]375\ [\mathrm{W}]

(5) 電動機の入力電流 I1 [A]I_1\ [\mathrm{A}]

入力電流ベクトル I˙1\dot{I}_1 は、キルヒホッフの電流則により励磁電流と二次電流の和となります。

I˙1=I˙0+I˙2′=(5.7735−j11.547)+(22.097−j3.4663)=(5.7735+22.097)−j(11.547+3.4663)=27.871−j15.013 [A]\begin{aligned} \dot{I}_1 &= \dot{I}_0 + \dot{I}_2' \\[5pt] &= (5.7735 - \mathrm{j}11.547) + (22.097 - \mathrm{j}3.4663) \\[5pt] &= (5.7735 + 22.097) - \mathrm{j}(11.547 + 3.4663) \\[5pt] &= 27.871 - \mathrm{j}15.013\ \mathrm{[A]} \end{aligned}

求める入力電流の大きさ I1I_1 は、

I1=∣I˙1∣=27.8712+(−15.013)2=776.79+225.39=1002.18≈31.657 [A]\begin{aligned} I_1 &= |\dot{I}_1| = \sqrt{27.871^2 + (-15.013)^2} \\[5pt] &= \sqrt{776.79 + 225.39} \\[5pt] &= \sqrt{1002.18} \approx 31.657\ \mathrm{[A]} \end{aligned}

有効数字3桁にまとめると、

31.7 [A]31.7\ [\mathrm{A}]

(6) 電動機の入力力率 [%][\%]

相電圧を位相の基準(実軸、0∘0^\circ)にとっているため、入力電流 I˙1\dot{I}_1 の実数部は電圧と同相の有効電流成分を表します。
したがって、力率 cos⁡θ\cos\theta は「全電流の大きさに対する有効電流(実数部)の比」として求められます。

cos⁡θ=Re[I˙1]I1×100=27.87131.657×100≈88.04 [%]\begin{aligned} \cos\theta &= \frac{\mathrm{Re}[\dot{I}_1]}{I_1} \times 100 \\[5pt] &= \frac{27.871}{31.657} \times 100 \\[5pt] &\approx 88.04\ [\%] \end{aligned}

有効数字3桁にまとめると、

88.0 [%]88.0\ [\%]

結論の総括

小問 求める値 解答
(1) 電動機の滑り ss 3.0 [%]3.0\ [\%]
(2) 励磁電流 I˙0\dot{I}_0 5.77−j11.5 [A]5.77 - \mathrm{j}11.5\ [\mathrm{A}]
(3) 二次電流の一次換算値 I˙2′\dot{I}_2' 22.1−j3.47 [A]22.1 - \mathrm{j}3.47\ [\mathrm{A}]
(4) 銅損 PcP_{\mathrm{c}} 375 [W]375\ [\mathrm{W}]
(5) 電動機の入力電流 I1I_1 31.7 [A]31.7\ [\mathrm{A}]
(6) 電動機の入力力率 88.0 [%]88.0\ [\%]