同期速度

交流回転機の同期速度

交流電源を用いた回転機（電動機や発電機）において、同期速度とは、固定子と回転子の間に生じる回転磁界の回転速度のことです。この速度は、交流電源の周波数と回転機の磁極の数によって決定され、回転機の動作を理解する上で非常に重要な要素となります。

同期速度の計算

同期速度（Ns）は、以下の式で計算されます。


Ns = (120 × f) / p


ここで、

Ns：同期速度（rpm）
f：交流電源の周波数（Hz）
p：磁極の数

この式から分かるように、同期速度は電源周波数に比例し、磁極の数に反比例します。周波数が大きくなれば同期速度は速くなり、磁極の数が増えれば同期速度は遅くなります。

同期機と非同期機

回転機の実際の回転速度と同期速度が一致している状態を「同期状態」と呼びます。同期状態を維持できる回転機を同期機、そうでない回転機を非同期機と分類します。

同期機は、回転子の回転速度が常に同期速度と一致するように制御されています。一方、非同期機は、回転速度が同期速度より遅くなります。この速度差は、非同期機のトルク発生メカニズムに重要な役割を果たします。

同期機は、発電機や電動機として使用され、高精度な速度制御が必要な用途に適しています。非同期機は、シンプルで安価な構造が特徴で、多くの産業用途で広く用いられています。

脱調

同期機は、負荷が大きすぎると同期速度と実際の回転速度の差が生じ、同期状態から外れることがあります。この状態を「脱調」と呼びます。脱調が発生すると、同期機は自力では同期状態に戻ることが困難なため、速やかに運転を停止させる必要があります。

磁極の数

磁極の数pは、周波数fと同期速度Nsから以下の式で求めることができます。


p = (120 × f) / Ns


この式は、同期速度の式をpについて解いたものです。磁極の数は、回転機の設計において重要なパラメータであり、同期速度やトルク特性に影響を与えます。

滑り

非同期機では、回転子の実際の回転速度Nと同期速度Nsの差を相対速度と呼び、この相対速度と同期速度の比を「滑り（slip）」と呼びます。滑りは以下の式で表されます。


s = (Ns - N) / Ns


ここで、

s：滑り
* N：実際の回転速度（rpm）

滑りは非同期機の動作状態を把握する上で重要な指標となります。滑りが0であれば同期状態、0より大きく1より小さければ電動機、1より大きければ制動状態を示します。また、滑り周波数は誘導電動機の回転子巻線に流れる電流の周波数を示し、電源周波数と滑りの積で求められます。

まとめ

同期速度は、交流回転機の動作を理解するための基本的な概念です。同期速度、同期機、非同期機、滑りといった用語を正しく理解することで、回転機の特性や動作原理をより深く理解することができるでしょう。これらの知識は、電気工学の様々な分野において重要な役割を果たします。

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