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同期モータ V特性の回路シミュレート
こんにちは、 モータに興味があります。中でも特に面白いと思ったのは、「同期モータで、界磁電流に対する固定子に流れ込む電流の関係を描くと、力率100%の点を最低値としてV曲線になる。」という点です。実際に、回路シミュレータを使用して、確かめてみたいのですが、可能でしょうか?可能であれば、そのソフト名と、描き方を教えて下さい。 また、巻線型三相誘導モータの二次抵抗を変化させたときの、トルクとすべりの変化を、回路シミュレータで確認は出来るのでしょうか?あわせて、教えてください。
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>電圧や抵抗制御は、現在はあまり行われていなくて、 >ベクトル制御やセルビウス制御が行われているようです。 >すると、当初質問の二次抵抗を変化させたときの変化を考える事自体、 >時代遅れなことのように思えてきました。まあ、、100%無駄にはならないですが、、、、 そうですね。現在は巻線形誘導機の二次抵抗制御はやや古典的で, かご形誘導機をインバータで制御する時代ですね。 >1つ解らない点は、式6を導出するのに、なぜ式4の逆数を取るか?です。 単に計算の簡単化です。式4の分母は結構メンドウな形をしているので, 分母においたまま微分すると,式が大変になるからです。 >同期モータのV特性ですが、 >I=P/(Vcosθ)を代入して, >E0^2=V^2+2*PXtanθ+(XP/(Vcosθ))^2 >グラフを描くための式はどうなるのでしょうか? >>Iを縦軸にとってθの媒介変数表示すれば, >すいません。具体的にどのような式にすれば、Iを縦軸にとってθの媒介変数表示できるのでしょうか?ご教示頂きましたら幸いです。 数値計算をエクセルなどでやるイメージです。 P,V,X,Xmを固定して,θをずっと変えて, I=P/(Vcosθ) If=sqrt{V^2+2*PXtanθ+(XP/(Vcosθ))^2}/Xm の数表を作れば,V字曲線のグラフが書けます。 すいません,mathematicaは経験がなく,分かりません。
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>>g0=0.0016S,b0=0.026S, これは,変圧器と誘導機に特有の「励磁アドミタンス」です。 固定子に電圧がかかると,その電圧に必要な磁束ができます。 磁束を作るために必要な磁化電流が,励磁サセプタンスb0を流れます。 また,固定子鉄心の鉄損を供給する鉄損電流が,励磁コンダクタンスg0を流れます。 変圧器では,鉄心が閉じた磁気回路なので,これらはかなり小さい値です。 しかし,誘導機ではギャップ(固定子と回転子の間の隙間)があるため,それなりの値になります。 励磁アドミタンスは,コンダクタンス[S]でなく抵抗[Ω], サセプタンス[S]でなくリアクタンス[Ω]で表しても同じことですが, 計算の都合上,コンダクタンス,サセプタンスで表す習慣です。 磁化電流は,誘導機が電源につながると機内に磁束を作るために流れる電流で, トルクとは直接の関係ありません。 すなわち,無負荷の誘導機(空回ししているモータ)でも流れていて, 負荷をかけた時(回転軸に荷物を背負わせた時)も,ずっと流れています。 トルクを考えることが主目的なら,無視してもよいです。 >>すべりs=(N0-N2)/N0, >>同期速度N0=f/p[rps単位]=60f/p[rpm単位], >>N2:回転速度,f:固定子周波数,極対数p(極数=2p) >すべりsを算出するのに、N0を求める必要がありますが、N0はどのように算出すれば良いでしょうか? 同期速度(磁界が回転する速度)は,誘導機の基本的な速度で, 無負荷の誘導機はこの速度で回転しますし, 負荷をかけるとこの速度よりやや下がった速度で回転します。 同期速度はN0=f/p[rps]なので, 固定子の周波数f[Hz]と誘導機の極数2pだけで決まります。 古典的使用法では,商用交流を誘導機に直接つなぎますから, 固定子周波数は電源周波数と等しく,関東では50Hz,関西では60Hzです。 インバータを使う現代的使用法では,インバータで設定する周波数です。 極数2pはモータを作るときに決まった値で,2極,4極,6極などがあります。 よく使われる4極機では, 50Hzでは,同期速度N0=1500rpm=25rps, 60Hzでは,同期速度N0=1800rpm=30rpsです。
お礼
いつもお世話になっております。 >磁化電流は,誘導機が電源につながると機内に磁束を作るために流れる電流で, >トルクとは直接の関係ありません。 >すなわち,無負荷の誘導機(空回ししているモータ)でも流れていて, >負荷をかけた時(回転軸に荷物を背負わせた時)も,ずっと流れています。 >トルクを考えることが主目的なら,無視してもよいです。 了解しました。 >極数2pはモータを作るときに決まった値で,2極,4極,6極などがあります。 >よく使われる4極機では, >50Hzでは,同期速度N0=1500rpm=25rps, >60Hzでは,同期速度N0=1800rpm=30rpsです。 了解しました。誘導機でも同期速度というのですね。 いま数式や回路図がほとんど記載されていない本を読んで質問をさせて頂いており、ご回答頂いたレベルに、私が達していない状況です。次回の土日(3/17,3/18)辺りに、もう少しレベルの高いモータに関する本を読んでレベルアップを図り、計算を試み、その後また質問させて頂きます。 ではこのまま私が勉強しないで放置・消滅しないように、頑張りますので、その際、またよろしくご指導願います。
補足
いつもお世話になっております。 学習途中ですが、解りやすいHPを見つけましたので、質問させて頂きます。 >巻線型三相誘導モータの二次抵抗を変化させたときの、 >トルクとすべりの変化を、回路シミュレータで確認は出来るのでしょうか? と、当初質問しておりましたが、下記HPを読みますと、 (HPより抜粋) 「制御を細かくするためには外部抵抗器を幾つも用意する必要が有ります。 連続可変容量の抵抗器は事実上ありませんので、速度制御は連続可変にはならずやはりステップ可変になります。 抵抗器は発熱しますので、有る程度寿命が有ります。 又、巻線型ですから、スリップリングとブラシは必須です。 メンテナンスが結構厄介になります。 どうも、塩梅が良くない方法ですが、ほんの10年前までは、この方法が結構用いられました。 今でも現役で動いているものも有ります。」 と書いてあり、電圧や抵抗制御は、現在はあまり行われていなくて、ベクトル制御やセルビウス制御が行われているようです。すると、当初質問の二次抵抗を変化させたときの変化を考える事自体、時代遅れなことのように思えてきました。まあ、、100%無駄にはならないですが、、、、如何でしょうか? 参考 貧電工附属 埼玉ドズニーランド大学(SDU)学長 鹿の骨さん著 http://dende777.fc2web.com/ziten/denkiziten/yudou2/yudousokudokai2.pdf
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#3への補足,ありがとうございます。 >感覚的には、同期リアクタンスのエネルギーが磁石として使用されるのでしょうか? 質問者さんのイメージが分からないのですが; 同期リアクタンスは,同期モータの固定子に巻いたコイルのインダクタンス×角周波数です。 電機子反作用の影響を回路的に表した素子で,同期モータの内部インピーダンスです。 固定子コイルにできた磁束と回転子磁石が引っ張り合って回るのが同期モータの原理です。 界磁磁石が作る磁束と,固定子コイルが定格電流で作る磁束は, 近いオーダ(数倍以内)になるように,モータを設計します。 >>Vdot=V∠0゜,Idot=I∠(-θ)=I*(cosθ-jsinθ)とおき, >Iは虚数成分を含み、Vは虚数成分を含まないという意味でしょうか? いろんなおき方があります。ここでは,Vを基準にして実数,Iだけに位相をつけて置くことにしました。 >E0を横軸にして,Iを縦軸にとってθの媒介変数表示すれば,V曲線が描けます。 >但しE0をIf(界磁電流)で示し、本の通り、界磁電流、固定子電流の関係が >V特性になることを知りたいです。 >単に、界磁電流=E0/抵抗(決まった一定の抵抗値)だと思います。 説明不足ですいません。 If=E0/Xm とおきます。Xmは相互リアクタンス[Ω]と呼ぶ量で,機器によって決まる値です。 >>力率角θを,例えば+89.9゜から-89.9゜までということで >少ししか変化しておりませんが、プラスマイナス30度くらい変化させるのは、 >ダメなのでしょうか?モータの電流は現実には、そんなに遅れたり進んだりしないものなのでしょうか? 書き方が悪くてすいません。 有効電力の負荷を取った時,力率角は+40゜から-40゜(力率で0.8)くらいが常識的でしょう。 V曲線には無負荷の場合(調相機運転)もあって, 有効電力は微小だが,無効電力だけで運転することもあります。 この場合,力率角は+90゜から-90゜まで180゜変化します。 ただし今回立てた式はtanを含み,θ=90゜を逃げたという意味です。
お礼
お世話になります。 同期モータのV特性ですが、 >E0を横軸にして,Iを縦軸にとってθの媒介変数表示すれば,V曲線が描けます。 ということは、 I=係数×E0^2または、I=係数×If^2 の形の式にする必要があるのですね? I=P/(Vcosθ)を代入して, E0^2=V^2+2*PXtanθ+(XP/(Vcosθ))^2 とすると、 グラフを描くための式はどうなるのでしょうか? >Iを縦軸にとってθの媒介変数表示すれば, すいません。具体的にどのような式にすれば、Iを縦軸にとってθの媒介変数表示できるのでしょうか?ご教示頂きましたら幸いです。 下記は、mathematicaでの式です。 V=100; P=300; X=1; Xm=1; IF=E0/Xm (*界磁電流IFと固定子電流I0のグラフ*) E0=Sqrt[V^2+2*V*I0*X*Sin[q]+(X*I0)^2] Plot[IF,{I0,0,1}] (*界磁電流IFとqのグラフ*) E0=Sqrt[V^2+2*P*X*Tan[q]+(X*P/(V*Cos[q]))^2]; Plot[IF,{q,-Pi/2,Pi/2}] https://skydrive.live.com/?cid=17345850223e636b#cid=17345850223E636B&id=17345850223E636B%21107
補足
お世話になります。 まず、巻線型三相誘導モータの二次抵抗を変化させたときの、トルクとすべりの変化についてです。 >r1:固定子抵抗,r2:回転子抵抗,Xl:漏れリアクタンスは誘導機で決まる定数。 >すべりs=(N0-N2)/N0, >同期速度N0=f/p[rps単位]=60f/p[rpm単位], >N2:回転速度,f:固定子周波数,極対数p(極数=2p) >固定子の相電圧 Et=線間電圧/sqrt(3) >負荷電流 I=Et/Z >二次入力 P2=3(r2/s)*I^2 (ギャップを挟んで固定子から回転子に伝わる電磁パワー) >トルク T=P2/ωs 結局、貧電工附属 埼玉ドズニーランド大学(SDU)学長 鹿の骨さん著の下記HPのP26の式7が、すべりと二次抵抗を与える式であることがわかりました。この式は、単純な1次式であり、2次抵抗が増すと、すべりも増すことがわかります。同HPの式4は、上記トルク T=P2/ωsと同じ式です。但し、Xl:漏れリアクタンスは、下記HPではx1+x2の表現になっております。 1つ解らない点は、式6を導出するのに、なぜ式4の逆数を取るか?です。細かい話ですが、少し気にかかります。逆数でない場合、解は虚数であり、使えないからでしょうか? http://dende777.fc2web.com/ziten/denkiziten/yudou3/yudou3.pdf 同期モータのV特性は、食事して今から確認します。
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>巻線型三相誘導モータの二次抵抗を変化させたときの、 >トルクとすべりの変化を、回路シミュレータで確認は出来るのでしょうか? #3です。誘導機の等価回路から決まる計算式を紹介しておきます。 誘導機の等価回路は http://okwave.jp/qa/q7355272.html を見てください。 誘導機のインピーダンス Z=sqrt{(r1+r2/s)^2+Xl^2} r1:固定子抵抗,r2:回転子抵抗,Xl:漏れリアクタンスは誘導機で決まる定数。 すべりs=(N0-N2)/N0, 同期速度N0=f/p[rps単位]=60f/p[rpm単位], N2:回転速度,f:固定子周波数,極対数p(極数=2p) 固定子の相電圧 Et=線間電圧/sqrt(3) 負荷電流 I=Et/Z 二次入力 P2=3(r2/s)*I^2 (ギャップを挟んで固定子から回転子に伝わる電磁パワー) トルク T=P2/ωs 同期角速度 ωs=2πf/p だけ式をつくれば,トルクは計算できます。 数式は以上でそろったので,回路定数を与えれば, EXCELでも計算は出来るでしょう。 (spiceなどの回路シミュレータで計算したことがないので,使えるのかどうか分かりません。) 等価回路定数の一例: 定格220V,1.5kW,4極,1800rpmの誘導機,r1=0.9Ω,r2=1.5Ω,Xl=4Ω, g0=0.0016S,b0=0.026S, ここまでは, モータの等価回路モデルがだいたい合いますね,という入門・原理的な話です。 質問者さんは,入門・原理的な確認として計算機でサラっとグラフを描いてみたい, という立場と思います。 #1さんがおっしゃるように, 「現実と合わせ込むシミュレーション。 現実を予測するため,設計を確認するためのシミュレーション」の立場だと, 等価回路定数の決め方(定数が磁気飽和や温度で変るが,どの値を使うの), 機械損,鉄損などの見積もり などなど難しい問題が出てきます。 #2さんのイメージは,モータでメカ系を動かす, モータ本体,コントローラ,メカ系,と範囲を拡大したシミュレーション ですね。メカトロ制御用シミュレータに,そういうのがありそうです。
お礼
>>g0=0.0016S,b0=0.026S, >これは、同期機には無かったですが、逆起電力を表しているのでしょうか? >トルクの算出にはこれらの定数が現れませんが、微小なので無視して良いのでしょうか? すいません。誘導機には電機子反作用や逆起電力は発生しないのですね?では、g0=0.0016S,b0=0.026Sの意味は何でしょうか?
補足
いつもお世話になります。 >モータの等価回路モデルがだいたい合いますね,という入門・原理的な話です。 >質問者さんは,入門・原理的な確認として計算機でサラっとグラフを描いてみたい, >という立場と思います。 そのとおりで御座います。しかし下記が解りませんので、ご教示願います。 >等価回路定数の一例: >定格220V,1.5kW,4極,1800rpmの誘導機,r1=0.9Ω,r2=1.5Ω,Xl=4Ω, 誘導機の等価回路がなぜ下記図のようになるのか?今の段階では完全には理解出来ませんが 後で考えるとします。 http://oshiete.goo.ne.jp/qa/7355272.html >g0=0.0016S,b0=0.026S, これは、同期機には無かったですが、逆起電力を表しているのでしょうか?トルクの算出にはこれらの定数が現れませんが、微小なので無視して良いのでしょうか? >すべりs=(N0-N2)/N0, >同期速度N0=f/p[rps単位]=60f/p[rpm単位], >N2:回転速度,f:固定子周波数,極対数p(極数=2p) すべりsを算出するのに、N0を求める必要がありますが、N0はどのように算出すれば良いでしょうか?それとも、巻線型三相誘導モータの二次抵抗(=r2:回転子抵抗?)を変化させたときの、トルクとすべりの変化を知るには、これだけの変数や定数で計算できるのでしょうか?
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同期機の等価回路を描けば,V曲線を数式で表すことは簡単です。 ただし,spiceなどの回路シミュレータに,この式が載るかどうかは,わかりません。 添付の等価回路で,Vが電機子端子電圧(外部電源の電圧)です。 E0は無負荷誘導起電力と言い,界磁電流にほぼ比例して,変化します。 Xは同期リアクタンス[Ω]で,機械によって決まった一定値です。 同期機の場合,巻線抵抗は無視して,同期リアクタンスだけを考えることが多いです。 V字曲線の場合,電機子電圧Vを一定値, 同期機の出力Pを一定で,無負荷誘導起電力E0を変化させます。 Vdot=V∠0゜,Idot=I∠(-θ)=I*(cosθ-jsinθ)とおき, P=VIcosθが一定, E0=|V-jX*Idot|=|V-jXI*(cosθ-jsinθ)| =sqrt{(V+XIsinθ)^2+(XIcosθ)^2}=sqrt{V^2+2*VIXsinθ+(XI)^2} I=P/(Vcosθ)を代入して, E0^2=V^2+2*PXtanθ+(XP/(Vcosθ))^2 力率角θを,例えば+89.9゜から-89.9゜まで変化させ, 出力電力P,電機子電圧V,同期リアクタンスXを一定にして E0を横軸にして,Iを縦軸にとってθの媒介変数表示すれば,V曲線が描けます。
補足
お返事有難うございます。 >同期機の等価回路を描けば,V曲線を数式で表すことは簡単です。 そうなんですか。ただし私の読んでいる「モータ技術の基本とメカニズム」をいう本には、等価回路については一切載っておりませんので、なぜ下記図がそうなるのか?ご教示頂きましたら幸いです。 >ただし,spiceなどの回路シミュレータに,この式が載るかどうかは,わかりません。 この回路図を書いて、数式通りの変化をするか?ですね。面白そうですね。 >添付の等価回路で,Vが電機子端子電圧(外部電源の電圧)です。 了解しました。 >E0は無負荷誘導起電力と言い,界磁電流にほぼ比例して,変化します。 「モータ技術の基本とメカニズム」をいう本と異なります。本には横軸に界磁電流、縦軸に固定子電流を示し、V特性を示しています。 E0を更にIf(界磁電流)で示すと、どうなるのでしょうか?界磁電流にほぼ比例して,変化しますということは、If(界磁電流)=E0/r (r=一定値)で良いでしょうか? >Xは同期リアクタンス[Ω]で,機械によって決まった一定値です。 >同期機の場合,巻線抵抗は無視して,同期リアクタンスだけを考えることが多いです。 了解しました。感覚的には、同期リアクタンスのエネルギーが磁石として使用されるのでしょうか? >V字曲線の場合,電機子電圧Vを一定値, >同期機の出力Pを一定で,無負荷誘導起電力E0を変化させます。 了解しました。 >Vdot=V∠0゜,Idot=I∠(-θ)=I*(cosθ-jsinθ)とおき, Iは虚数成分を含み、Vは虚数成分を含まないという意味でしょうか? >P=VIcosθが一定, 了解しました。 >E0=|V-jX*Idot|=|V-jXI*(cosθ-jsinθ)| >=sqrt{(V+XIsinθ)^2+(XIcosθ)^2}=sqrt{V^2+2*VIXsinθ+(XI)^2} >I=P/(Vcosθ)を代入して, >E0^2=V^2+2*PXtanθ+(XP/(Vcosθ))^2 >力率角θを,例えば+89.9゜から-89.9゜まで変化させ, >出力電力P,電機子電圧V,同期リアクタンスXを一定にして >E0を横軸にして,Iを縦軸にとってθの媒介変数表示すれば,V曲線が描けます。 了解しました。但しE0をIf(界磁電流)で示し、本の通り、界磁電流、固定子電流の関係がV特性になることを知りたいです。単に、界磁電流=E0/抵抗(決まった一定の抵抗値)だと思いますが、念のため、教えて下さい。 力率角θを,例えば+89.9゜から-89.9゜までということで少ししか変化しておりませんが、プラスマイナス30度くらい変化させるのは、ダメなのでしょうか?モータの電流は現実には、そんなに遅れたり進んだりしないものなのでしょうか?
- tance
- ベストアンサー率57% (402/704)
回路シミュレータは基本的に電子部品のモデルを元にキルヒホッフや オームの法則などを使って回路電流や電圧の連立方程式を作り それの数値解を求めるものです。 モデルの中にモータがあればシミュレートできるかもしれませんが モータには電磁界の法則以外にメカニカルな部分(加速度とか 慣性モーメントとか機械振動とか・・・)あるので、それまでカバー した連立方程式が用意されているものがあるか不明です。 モータの設計にはそのようなシミュレータがあるのかも知れませんが 具体的に聞いたことはありません。 モータを模したモデルを作ってみると面白いかもしれません。 そのモータには電気的入出力端子がたくさんあって、それぞれ 入力: モータコイルの情報 永久磁石の情報 慣性モーメント 摩擦 など 出力: 回転数 トルク など から各情報を電気信号として計算し出力する訳です。 書くのは簡単ですが、これはヒジョーーーに大変な仕事です。 良いモノができたら売れます。 特にANo.1の方がおっしゃっているように、シミュレータは実測と 合うかどうかが命です。シミュレータを実測に合わせる作業が とんでもなく大変です。 でも、趣味の世界で、なんとなく感じが出ていれば良い、というのなら チャレンジするのも面白いかと思います。 Spice系のシミュレータなら無料のイントロ版で相当のことができる SIMetrixがお薦めです。操作性が気に入っています。
補足
お返事有難うございます。 >モータの設計にはそのようなシミュレータがあるのかも知れませんが >具体的に聞いたことはありません。 ありそうですが、機能制限があったり、高価であったりして、手が出ません。 http://www.ipros.jp/product/detail/228752002/ http://www.kesco.co.jp/products/software/plexim/downloads/de02.html http://www.kesco.co.jp/products/software/plexim/features/demos/d20.html >書くのは簡単ですが、これはヒジョーーーに大変な仕事です。 >良いモノができたら売れます。 そうですね。ヒジョーーーに大変そうなので、この方法は避けたいです。 >でも、趣味の世界で、なんとなく感じが出ていれば良い、というのなら >チャレンジするのも面白いかと思います。 趣味でも、ヒジョーーーに大変そうなのは避けたいです。簡単にシミュレートしたいです。 そして、数値を変えて、感覚を掴みたいです。 >Spice系のシミュレータなら無料のイントロ版で相当のことができる >SIMetrixがお薦めです。操作性が気に入っています。 そうですか。初めて聞きます。PSpiceとCircuit Makerは少し使用したことがあります。使いやすかったです。 でも、これらのフリーソフトでは、同期モータの図や記号が入っていませんので、簡単に同期モータのV特性を確認するのは難しいでしょうね。
- misawajp
- ベストアンサー率24% (918/3743)
シミュレートの意義を勘違いしていませんか シミュレータは実際の現象をモデル化し(モデル化の際の誤差を無視して)てそのモデルで現象を再現しようとするものです シミュレータのモデルが採用している力率と電流の関係の通りに再現されます シミュレータはそのモデルと対応できる条件の範囲を確実に理解して使用することが絶対の条件です そのシミュレータでは対応できない条件でシミュレートし、現実がシミュレート通りにならないのは現実がおかしいなどと言い出す者が散見されます 質問は モデルの計算の手間を省きたいだけです シミュレータで確認する と言う発想には以上のようなことを失念している虞が大きいです(条件を精査せずシミュレータで確認したのだから間違いない などと言い出すような) その前提の理解があいまいなら砂上の楼閣です
補足
お返事有難うございます。 私はモータの設計者ではございませんので、目的は回路を設計することでは御座いません。 趣味で、モータに興味を持ったので、「モータ技術の基本とメカニズム」をいう本を読んだら、「同期モータ V特性」や「巻線型三相誘導モータのトルクとすべり」のことを更に知りたくなり、質問しました。 http://webcatplus.nii.ac.jp/webcatplus/details/book/5218491.html >シミュレータはそのモデルと対応できる条件の範囲を確実に理解して使用することが絶対の条件です その通りだと思います。でも、回路シミュレータから入門するのも、良いかもしれません。 >その前提の理解があいまいなら砂上の楼閣です すべての場合について、この条件が当て嵌まるとは言えないです。 いうことで、回路シミュレータについて、教えて下さい。
補足
お世話になります。 >そうですね。現在は巻線形誘導機の二次抵抗制御はやや古典的で, >かご形誘導機をインバータで制御する時代ですね。 了解しました。 巻線型三相誘導モータの始動時に、2次抵抗を変化させて比例推移現象を利用すると、電流を抑えながら、トルクを大きくすることが出来きますので、今でも使用されているらしいです。他の三相誘導モータの始動時に、比例推移現象を利用することはあるのでしょうか? >単に計算の簡単化です。式4の分母は結構メンドウな形をしているので, >分母においたまま微分すると,式が大変になるからです。 了解しました。 >数値計算をエクセルなどでやるイメージです。 >P,V,X,Xmを固定して,θをずっと変えて, >I=P/(Vcosθ) >If=sqrt{V^2+2*PXtanθ+(XP/(Vcosθ))^2}/Xm >の数表を作れば,V字曲線のグラフが書けます。 うまくグラフ化できませんので、再度考えてみます。