モータースターター完全解説：種類、機能、始動方式

モータースターターの種類とモーター始動方式

モータースターターとは？

モータースターターは、モーターを安全に始動・停止するための電気装置です。リレーと同様に電源のON/OFFを切り替えますが、リレーとは異なり、低電圧保護と過電流保護も提供します。

モータースターターの主な機能は：

• モーターを安全に始動する
• モーターを安全に停止する
• モーターの回転方向を逆転する
• モーターを低電圧と過電流から保護する

モータースターターは、モーターを制御・保護するために連携する2つの主要コンポーネントで構成されます：

• 電磁接触器：接点端子の開閉により、モーターへの電源供給をON/OFF切り替えます。
• 過負荷保護回路：過負荷状態によるモーターの損傷を防ぎます。ローターに大電流が流れると巻線や接続機器が損傷する恐れがあります。電流を検知して電源を遮断します。

なぜモーターにスターターが必要か？

誘導モーター始動にはモータースターターが不可欠です。理由はロータインピーダンスが低いためです。誘導モーターのロータインピーダンスはスリップ（ローターとステータの相対速度）に依存し、スリップに反比例します。

停止時（静止位置）の誘導モータースリップは最大の1であり、インピーダンスは最小となり、突入電流と呼ばれる巨大な電流を引き起こします。この大電流がローターとステータ間の空隙を磁化し、ローター巻線に誘導起電力を生じさせます。この起電力がローター巻線に電流を生み、磁界を作ってローターにトルクを発生させます。ローター速度が上がるとスリップが減少し、モーターが引く電流も減少します。

 

突入電流は正常定格全負荷電流の5-8倍です。これほどの電流はモーター巻線を損傷・焼損させ、機械を無用にし、電源ラインの電圧を大幅に低下させて同一ライン接続の他機器を損傷させる恐れがあります。

このような巨大電流からモーターを守るため、スターターを使って起動時の初期電流を短時間制限し、モーターがある程度の速度に達したら正常電源供給を再開します。また、正常運転時の低電圧・過電流などの故障状態からも保護します。

1馬力未満の小型モーターはインピーダンスが高く初期電流に耐えられるため、このようなモータースターターは不要ですが、DOL（直入始動）スターターが提供する過電流保護システムは必要です。以上が、なぜモーターにスターター設置が必要かの理由です。

モータースターターの動作原理

スターターは、モーターを手動または自動で切り替える制御装置です。接点を開閉して電気モーターの安全なON/OFF制御を行います。

手動スターターは小型モーター用で、手動レバーを操作して接点位置をON/OFFに動かします。欠点は停電後に再度ON操作が必要なこと。つまり、各操作（ON/OFF）に手動制御が必要です。場合によってはモーター巻線に大電流が流れ、モーターを焼損させる恐れがあります。そのため、保護機能付き自動スターターなどの代替スターターが推奨されるのが一般的です。

一方、電磁リレーと接触器で構成される自動スターターは、モーターのON/OFF操作に使用されます。接触器コイルに電流が流れると励磁され、電磁界を発生させて接点を引き寄せ/押し出し、モーター巻線を電源に接続します。

モーターとスターターに接続された始動・停止プッシュボタンでモーターのON/OFF操作が可能。停止ボタンを押すと接触器コイルが消磁し、バネ配置で接点が元の位置に戻ってモーターが停止します。停電や手動スイッチOFF時、始動プッシュボタンを手動で押すまでモーターは自動再起動しません。以下の図はDOLモータースターターのON/OFF動作を示しています。

始動方式・技術に基づくモータースターターの種類

産業界では誘導モーター始動に様々な始動技術が用いられます。モータースターターの種類を論じる前に、スターターで使用される技術をいくつか紹介します。

• 全電圧/全電圧投入スターター（Across The Line Starter）

モーターを直接電力線に接続し、全電圧を供給します。このスターターで接続されるモーターは低出力定格で、電力線に大きな電圧降下を生じさせません。モーター定格が低く、単方向運転が必要な用途で使用されます。

• 全電圧可逆スターター

三相誘導モーターの方向は任意の2相を入れ替えることで逆転可能。このスターターは、順方向・逆方向用に相を入れ替えた2つの機械的にインターロックされた電磁接触器を内蔵し、接触器で制御します。モーターを両方向で運転する必要がある用途で使用されます。

• 多速スターター

ACモーターの速度を変えるには、AC電源周波数を変えるか、モーターの極数を変える（巻線を再接続）必要があります。このタイプのスターターは、用途に合わせていくつかのプリセット速度でモーターを運転します。

• 減圧スターター

最も一般的な始動技術は、モーター始動時の電圧を下げて突入電流を減らし、モーター巻線の損傷や電圧大幅低下を防ぐことです。これらのスターターは高出力モーター用です。

上記技術に基づき、産業界で使用される以下のモータースターター種類があります。

モータースターターの種類：

上記始動方式に基づく以下のモーター種類と始動方法を、メリット・デメリットとともに解説します。

1. 直入始動（DOL）スターター
2. ステータ抵抗スターター
3. ロータ抵抗/スリップリングモータースターター
4. オートトランスフォーマースターター
5. スター・デルタスターター
6. ソフトスターター
7. 可変周波数ドライブ（VFD）

モータースターターには多くの種類がありますが、主に2種類に分類されます。

• 手動スターター

手動操作で経験不要。プッシュボタンで接続モーターをOFF/ON。ボタン背後の機構には機械式スイッチが含まれ、回路を開閉してモーターを停止/始動します。

過負荷保護も提供。しかし、LVP（低電圧保護）がないため、停電時に回路を遮断しません。電力復旧時にモーターが再起動するため、一部用途では危険。低出力モーター用。DOL（直入始動）スターターは過負荷保護付き手動スターターです。

• 磁気スターター（電磁スターター）

磁気スターターは最も一般的で、主に高出力ACモーターに使用されます。リレーのように磁力で接点を開閉して電磁的に動作します。

始動時により低く安全な電圧を提供し、低電圧・過電流保護も含みます。停電時には自動的に回路を遮断。手動スターターと異なり、自動・リモート操作が可能で作業者を不要とします。

磁気スターターは2つの回路で構成されます：

• 主回路（動力回路）：モーターへの電力供給を担当。過負荷リレーを介して電源ラインからモーターへの電力をON/OFFする電気接点で構成。
• 制御回路：主回路の接点を制御し、モーターへの電力供給を開閉。電磁コイルの励磁/消磁で電気接点を引き寄せ/押し出し、磁気スターターのリモート制御を実現。

直入始動（DOL）スターター

DOL（直入始動）スターターは、モーターを直接電源に接続する最もシンプルな形態のモータースターターです。モーターを電源ラインに接続する電磁接触器と、過電流保護用過負荷リレーで構成されます。安全始動のための電圧低下はありません。したがって、このスターターで使用するモーターは5馬力未満の定格です。始動・停止用の2つのシンプルなプッシュボタンがあります。

始動ボタンを押すとコイルが励磁され、接触器が引き寄せられて回路が閉じます。停止ボタンを押すと接触器コイルが消磁し、接点がバネで離れて回路が開きます。電源ON/OFF用スイッチはロータリー、レバー、フロートなどあらゆるタイプが使用可能です。

このスターターは安全始動電圧を提供しませんが、過負荷リレーが過熱・過電流から保護します。過負荷リレーは通常閉接点で接触器コイルを励磁。リレーがトリップすると接触器コイルが消磁し回路が開きます。

DOLモータースターターのメリット

• 設計が非常にシンプルでコスト効率が良い。
• 理解と操作が非常に簡単。
• 大きな始動電流により高い始動トルクが得られる。

DOLモータースターターのデメリット

• 大きな突入電流で巻線損傷の恐れ
• 突入電流で電源ライン電圧降下
• 大型モーターには不向き
• モーター寿命を短くする可能性

ステータ抵抗スターター

ステータ抵抗スターターはRVS（減圧スターター）技術を使用。三相誘導モーターのステータ各相に直列に外部抵抗を追加。抵抗の役割はライン電圧を低下させ（結果として初期電流を低減）、ステータに印加する電圧を下げることです。

最初、可変抵抗を最大位置に保ち最大抵抗を提供。したがって、抵抗での電圧降下によりモーター印加電圧は最小（安全レベル）になります。低ステータ電圧で始動突入電流を制限し、モーター巻線損傷を防ぎます。モーターが速度を上げると抵抗を減らし、ステータ相を直接電力線に接続します。

電流は電圧に比例し、トルクは電流の2乗に比例するため、電圧が2倍下がるとトルクは4倍低下します。したがって、このスターターによる始動トルクは非常に低く、維持が必要です。

ステータ抵抗モータースターターのメリット

• 始動特性の柔軟性を提供
• 可変電圧供給でスムーズな加速が可能
• スター結線・デルタ結線両方のモーターに接続可能

ステータ抵抗モータースターターのデメリット

• 抵抗で電力を消費
• 電圧低下により始動トルクが非常に低い
• 大型モーター用抵抗は高価

ロータ抵抗/スリップリングモータースターター

このタイプは全電圧モーター始動技術で動作。スリップリング誘導モーターでのみ動作するため、スリップリングモータースターターとも呼ばれます。

外部抵抗をスリップリング経由でロータにスター結線で接続。これらの抵抗がロータ電流を制限しトルクを増加。これにより始動ステータ電流を低減。力率改善にも寄与します。

抵抗はモーター始動時のみ使用し、モーターが定格速度に達したら取り外されます。

ロータ抵抗モータースターターのメリット

• 全電圧で低始動電流を実現
• 高始動トルクで負荷付き始動が可能
• 力率を改善
• 広範囲な速度制御が可能

ロータ抵抗モータースターターのデメリット

• スリップリング誘導モーターでのみ動作
• ロータが高価で重い

オートトランスフォーマースターター

始動段階でステータに印加される電圧を下げるため、オートトランスフォーマーを降圧トランスとして使用するタイプ。スター結線・デルタ結線両方のモーターに接続可能。

オートトランスフォーマーの二次側をモーター各相に接続。オートトランスフォーマーの複数タップが定格電圧の一部を提供。始動時、リレーは開始位置（減圧用タップポイント）にあり、起動用減圧電圧を供給。リレーはモーター速度に合わせてタップポイントを切り替え電圧を上昇。最終的に定格電圧に接続します。

他の減圧技術と比較し、特定の始動電流に対してより高い電圧を提供。より良い始動トルクの提供に役立ちます。

オートトランスフォーマースターターのメリット

• より良い始動トルクを提供
• 大負荷付き大型モーター始動に使用
• 手動速度制御も可能
• 始動特性の柔軟性を提供

オートトランスフォーマースターターのデメリット

• オートトランスフォーマーが大型で設置スペースを取る
• 回路が複雑で他スターターより比較的高価

スター・デルタスターター

大型モーター向け産業界で一般的な始動方法。三相誘導モーターの巻線をスターとデルタ結線で切り替えて始動します。

誘導モーター始動時、3極双投リレーを使用してスター結線で接続。スター結線では相電圧が1/√3倍に低下し、始動電流と始動トルクも定格値の1/3に低減されます。

モーターが加速すると、タイマーリレーがステータ巻線のスター結線をデルタ結線に切り替え、各巻線に全電圧を印加。モーターは定格速度で運転されます。

スター・デルタスターターのメリット

• 設計がシンプルで安価
• メンテナンス不要
• 低サージ電流を実現
• 大型誘導モーター始動に使用
• 長い加速時間が必要な用途に最適

スター・デルタスターターのデメリット

• デルタ結線モーターでのみ動作
• 配線接続が多い
• 始動トルクが低く維持困難
• 始動特性の柔軟性が非常に限られる
• スターからデルタへの切替時に機械的衝撃が発生

ソフトスターター

ソフトスターターも減圧技術を使用。TRIACなどの半導体スイッチで、誘導モーターに供給される電圧と始動電流を制御します。

位相制御TRIACを使用して可変電圧を提供。TRIACの導通角（位相角）を変えて電圧を変化させます。導通角を最小にして減圧電圧を供給。導通角を徐々に増やして電圧を上昇。最大導通角で全ライン電圧を誘導モーターに印加し、定格速度で運転。

始動電圧・電流・トルクを徐々かつスムーズに上昇させます。機械的衝撃がなくスムーズな動作で機械寿命を延ばします。

ソフトスターターのメリット

• 始動電流・電圧の優れた制御
• スムーズな加速で衝撃なし
• システムの電力サージを低減
• システム寿命を延長
• 高効率でメンテナンス不要
• コンパクトなサイズ

ソフトスターターのデメリット

• 比較的高価
• 熱としてエネルギー損失あり

可変周波数ドライブ（VFD）

ソフトスターターと同様に、可変周波数ドライブ（VFD）は電圧だけでなく供給電流の周波数も可変制御できます。主に誘導モーターの速度制御に使用され、速度は供給周波数に依存するためです。

電源ラインからのACを整流器でDCに変換。純粋なDCを、IGBTなどのパワートランジスタによるPWM（パルス幅変調）技術で、可変周波数・電圧のACに再変換します。

0から定格速度までフル制御可能。可変電圧による速度調整機能で、より良い始動電流と加速を実現。

可変周波数ドライブのメリット

• 大型モーターのより良くスムーズな加速
• スムーズな加減速でフル速度制御
• 電気的・機械的ストレスがないため寿命延長
• モーターの正転・逆転操作が可能

可変周波数ドライブのデメリット

• 速度制御が必要でない限り比較的高価
• 発熱あり
• VFDは電力線に高調波を発生させ、電子機器・力率に影響