列車の直流電動機の抵抗制御についてなんですが、起動時は抵抗を沢山入れて発車、速度が上がるとだんだんと抵抗を抜いて流れる電流(トルク)が一定になるようにしますよね。
ここでもし、抵抗を用いないとどうなるんでしょう?
必要なトルクが大きすぎて、大電流が一気に流れ、モータを焼いてしまうということなのでしょうか。
どうして速度に応じて抵抗の数を変えることで同じトルクが取り出せるのかが、いまいちわからないのですが・・・。
電流と回転数とトルクの関係について、教えてください。

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A 回答 (6件)

#1、#3のymmasayanです。

誤解を与えてしまったようですね。

> ということは、ノッチ最終段(抵抗をすべて外して最高回転数の状態)でも抵抗が入っているのでしょうか?抵抗をずっと通した状態で置くと抵抗器が焼けてしまうので、加速が終わったら最終段に入れること、というのを鉄道工学の本で知ったのですが・・・。

加速が終わったら最終段に入れる(抵抗ゼロにする)と言うのはそのとおりです。
そうしないと抵抗器で無駄な電力ロスを生じます。抵抗器も焼けるでしょう。

直巻電動機と言うのは界磁コイルと電機子コイルが直列に接続されています。したがって、(トルクは界磁電流と電機子電流の積に比例するので)、トルクはモーター電流の2乗に比例します。一方分巻電動機は界磁コイルと電機子コイルが並列に接続されています。界磁電流は無視できかつ一定なので、トルクはモーター電流に比例します。

>> #1の補足ですが直巻電動機は無負荷になると超高速で回転する危険な特性があり、(一般に使用される分巻電動機にはない特性)、雨でスリップしたときなどに、モーターを破損する恐れがあります。この特性のため、直巻電動機は無負荷にならないよう、負荷との直結が義務付けられています。

これが誤解を呼んだようですね。最初の部分は直巻電動機の危険性です。
最後の部分の表現が不適切でした。「負荷との直結」と言うのは「機械的負荷との直結」の意味でした。もし仮にベルトドライブなどにすると、ベルトが切れた時にモータが超高速回転して(逸走と言う)大きな事故につながるのです。
わかりにくくてすみませんでした。

> どうして速度に応じて抵抗の数を変えることで同じトルクが取り出せるのかが、いまいちわからないのですが・・・。

電車は、起動時に大きなトルクが必要ですが、高速走行時はトルクはあまり要りません。電力とは別物です。電力=速度×トルクだったと思いますが。
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なんと列車のシミュレーションですか。



I:電流,e:逆起電力,E:供給電圧,R:抵抗,ω:回転速度とするとき、
 e=ω×I^2, I=(E-e)/R (比例定数,その他の損失を省略)から
 I=-R/2ω+√(E/ω+(R^2)/(4×ω^2))で
 トルクは、T=I^2 (これも比例定数省略)
これじゃだめかな?(省略しすぎちゃった。これ以上詳しいことは、もうわからない)

私はpythianさんの質問の意図するところを「速度が上がるとなぜ抵抗がいらなくなるのか?過電流が流れにくくなるのか?」と解釈し、NO.2のような回答としました。 ymmasayanさんの御指摘の通り、直巻モータでは電流が流れにくくなると界磁力も弱くなるため、界磁力固定のモータのような特性は出ないこと、説明例が適切でなかったことをお詫び致します。
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この回答へのお礼

詳しい式、ありがとうございます!
>電流と回転数は反比例する
これの計算式は完成したので、
>電流とトルクは比例する
これを加えて、車速→加速余力の計算を組み立てようと思います。
ただ、モータの特性グラフが手に入らないので、運転席で電流計を観察しながら「予想」で作るしかないんですが・・・。(笑)
わかりやすい回答、ありがとうございました。

お礼日時:2001/07/22 20:05

たびたび、ymmasayanです。



> 実は、手動ノッチの列車のシミュレーションを行っていまして・・・自動的に電流を一定にしてくれる制御方式ならいいんですが、これだけはモータのトルク曲線がないと作るのは難しそうですね。

煩雑になるので省略しましたが、実際のトルク曲線は結構複雑です。磁気飽和などの影響で電流の2乗に比例する部分と電流に比例する部分、その中間の部分が出来ます。

シミュレーションの無事完成を祈ります。
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#2の回答者:tocoche さんの回答は「直流モータ一般の話」と言う事ですが、これは直流分巻電動機の話であって、電車用の直流直巻電動機(又は直流複巻電動機)の特性には合致しません。



#1の補足ですが直巻電動機は無負荷になると超高速で回転する危険な特性があり、(一般に使用される分巻電動機にはない特性)、雨でスリップしたときなどに、モーターを破損する恐れがあります。この特性のため、直巻電動機は無負荷にならないよう、負荷との直結が義務付けられています。

この回答への補足

ということは、ノッチ最終段(抵抗をすべて外して最高回転数の状態)でも抵抗が入っているのでしょうか?抵抗をずっと通した状態で置くと抵抗器が焼けてしまうので、加速が終わったら最終段に入れること、というのを鉄道工学の本で知ったのですが・・・。

補足日時:2001/07/18 23:38
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この回答へのお礼

停止状態からいきなり繋ぐ→大電流が流れる→危険
なので、
抵抗を入れる→動き出す→速度が上がると電流が減る→トルクが減る→抵抗を減らして電流を増やす
ということなんですね。ありがとうございます、よくわかりました。
実は、手動ノッチの列車のシミュレーションを行っていまして・・・自動的に電流を一定にしてくれる制御方式ならいいんですが、これだけはモータのトルク曲線がないと作るのは難しそうですね。アドバイスありがとうございました。

お礼日時:2001/07/19 12:18

列車のモータというと、たぶんユニバーサルモータだと思うのですが、そっちの方は詳しくないので、直流モータ一般の話をします。



直流モータと抵抗を直列につないで、電圧をかける場合
・トルクは電流に比例する。
・電流は抵抗にかかる電圧を抵抗値で割ったものである(オームの法則)
・抵抗にかかる電圧は、供給電圧からモータの逆起電力を引いたものである。
・モータの逆起電力は回転数に比例する。
というわけで、停止状態で抵抗なしでつなぐとpythianさんの予想通り、モータが焼けると思います。(ブレーカぐらい付いているかな?)
回転数が上がると逆起電力が大きくなり、電流が減ってしまうので、抵抗を減らして電流を調整します。

そう考えると電車の最高速度って、供給電圧とモータの特性で決まっちゃうんですね。 たまに電車がガクガク動くときがありますが、抵抗の選択ミスなのかな?
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この回答へのお礼

ありがとうございます。直巻と分巻でトルク特性は違うようですが、原理はよくわかりました。確かに、手動ノッチの車両でいきなり無抵抗の段まで進めるとブレーカーが落ちますね。なるほど、そういうことなんですか(^_^;
電車がガクガク~ですが、これは多分抵抗の繋ぎ換えを自動でやっているときのショックでしょう(たしか抵抗20段くらい(^^;)。
どうもありがとうございました。

お礼日時:2001/07/19 12:23

最近は交流モータを使ったVVVFが最先端ですが、お尋ねの古典的直流モータについてお答えします。


電車用直流モータは直巻電動機です。低速で強力なトルクを出します。分巻電動機のトルクが電流Iに比例するのに対し直巻電動機は電流Iの2乗に比例します。大雑把に言うとトルクは速度の2乗に反比例します。高速になって電流が減ってくるとトルクも急激に減ります。
起動時点では速度ゼロですから巨大な電流が流れ込みます。これは、モータを焼くということと急激な加速度が加わるのとで不都合です。そこで抵抗制御(ノッチ)を行います。
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運転が可能になります。
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あり、場合により試運転しながら決定することになると思いますので、
インバータメーカに相談すると良いでしょう。

また、インバータメーカにて講習会を実施していますので、参加し
てインバータの選定方法や各種機能の設定方法などをアドバイスを
もらうと良いと思います。
インバータメーカの講習会については、次のURLをクリックして参考
にして下さい。

[技術セミナー日程/富士電機]
https://gseminar.fujielectric.co.jp/seminar/user/kokyaku/
http://www.fujielectric.co.jp/about/corporate/event/seminar/index.html
http://www.fujielectric.co.jp/about/corporate/event/seminar/technological/guide.html

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質問文の中だと、5-2です。

質問者様は電気関係に通じている方だと見受けられるので、ある程度専門的な用語を使わせていただきます。
電車登場黎明期~1980年代くらいまでは、交流電動機が良い事は分かっていたものの、実用に落とし込む次元ではなかったので、直流電動機でした。

始まりは1の直巻電動機です。
抵抗を介して制御する“抵抗制御”。

半導体技術から、
1970年代に複巻電動機。

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原因はいくつか考えられますが

その前に誘導電動機の騒音源は巻線分布の形による起磁力高調波とギャップ高調波の干渉などが原因になる事が多いです。さらに固定子の鉄板が振動する事も考えられます。
これは流れる電流の大きさによって影響を受けますがではなぜ単相モーターの方が音が大きいかと言う問題ですが・・・・

単相モーターは本格的な物が少ないので巻き線や全体の造りが雑で結果振動が大きいとか同じ出力なら三相に比べて電流が多い、結果起磁力高調波も大きくなり振動が多い。

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三相は回転磁界が120度の位相差で回るのでバランスが良い、対して単相は回転磁界は出来るものの単相の位相をずらせているだけなのでバランスが悪い、その結果振動が大きい。
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特に負荷が大きい時は回転子の滑りも大きく、また回転子に流れる電流も大きくなり振動が大きくなるのでは有りませんか?
詳しい事は良く分かりませんがご参考になりますかどうか。

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これは流れる電流の大きさによって影響を受けますがではなぜ単相モーターの方が音が大きいかと言う問題ですが・・・・

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5. 3で作った交流電圧計で直流100Vを測定するといくらを指示するか。
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4. 正常に動作しません。場合によると壊れてしまいます。【答え】0V。

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【起動トルクが大きく、速度制御幅が広く、かつが容易】
に尽きます。
この要求を満たすのは、直巻電動機になります。

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に尽きます。
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三相誘導電動機はまるで生き物のように常に一定回転数で回ろうとします
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直流ブラシ付き電動機(マブチモータに代表される普通のDCモータ)
と大きく違う点です
直流ブラシ付き電動機をサーボアンプ等のフィードバック制御せずに
定電圧駆動した場合は負荷トルクに反比例して回転数は下がります


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電流が増えるとトルクが増えて回転数が上がる
回転数が上がり過ぎるとインピーダンスが上がり電流が減る
電流が減るとトルクが減って回転数が下がる
と、謂う理屈に拠って一定回転数を維持します
http://www.jeea.or.jp/course/contents/07303/
http://www.jeea.or.jp/course/contents/07122/

>電動機は生き物ではありません、流そうと自分でするわけはありませんよね!?

三相誘導電動機はまるで生き物のように常に一定回転数で回ろうとします
負荷が増えると勝手に電流を増やして一定回転数を維持しようとします

直流ブラシ付き電動機(マブチモータに代表される普通のDCモータ)
と大きく違う点です
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コイルの中心から上に向けてN極が生じるように電流が流れます。
問題の絵ではコイルに反時計回りに電流が流れることになり、電流計は左側に振れます。
磁石の真ん中がコイルを通り過ぎた辺りから磁石のS極が近付いてくるので、
その磁場を打ち消すように電流は逆向き(時計回り)に流れて電流計は右側にふれて、
完全に落下したら中央に戻ります。
なので答えは(イ)

探したら動画が出てきました↓
https://www.youtube.com/watch?v=PB_qS7nHFvg


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