三相誘導モーターを単相電源で駆動する：実証済みの3つの方法とコツ

三相誘導モーターを単相電源で運転する – 3つの方法

交流電源の種類により、誘導モーターは三相誘導モーターと単相誘導モーターに分類されます。ほとんどの産業・農業用途では、単相誘導モーターより三相誘導モーターが広く使用されています。

電力不足により、農業用途では三相電力が常時利用できるとは限りません。この場合、ガング操作スイッチ（GOS）から1相が切り離されます。そのため、多くの場合、3相のうち2相しか利用できません。しかし、特別な工夫をすれば、三相モーターを単相電源で運転することが可能です。

ご存知の通り、三相誘導モーターは自己始動型です。三相誘導モーターの固定子巻線は回転磁界を生成し、120°の位相差を作り出します。一方、単相誘導モーターでは脈動磁界が誘導されるため、自己始動能力がありません。始動のために補助的な手段が必要です。

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ここでも、三相誘導モーターを単相電源で運転するには特別な工夫が必要です。主に3つの方法があります：

• 静止コンデンサを使用する（位相シフト法）
• VFD（可変周波数ドライブ）を使用する
• ロータリーコンバータを使用する

本記事では各方法を簡潔に解説します。

静止コンデンサを使用する方法

三相交流電力を三相誘導モーターの固定子に供給すると、バランスの取れた時間変化する120°位相差の回転磁界が生成されます。一方、単相誘導モーターでは脈動磁界が誘導され、始動トルク（起動トルク）が発生しません。単相誘導モーターでは、補助巻線を用いて位相シフトを作ります。補助巻線の代わりに、コンデンサやインダクタを用いて位相差を生成することもできます。

同様の原理で、三相誘導モーターの三相巻線を用い、コンデンサやインダクタで1相分をシフトさせることができます。一度単相電源で三相誘導モーターが始動すれば、定格容量の2/3程度で連続運転可能です。正味の出力や効率は定格容量の2/3^rdに低下します。

この方法は静止相変換器法、位相シフト法、または巻き替え法とも呼ばれます。

一部の構成では、始動用と運転用の2つのコンデンサを使用します。始動用コンデンサの容量は運転用の4〜5倍です。この構成の回路図は下図の通りです。

始動用コンデンサは始動のみに使用され、始動後に回路から切り離されます。運転用コンデンサは常時回路に接続されたままです。図に示す通り、モーターは星型（Y）接続され、両コンデンサは2相の巻線間に接続されています。

単相電源は2端子を持ちます。1端子は巻線の直列結合点に、もう1端子は三相巻線の残りの端子に接続されます。場合によってはコンデンサ1個のみを使用することもあります。この構成は下図の通りです。

ほとんどの場合、小型誘導モーターは星型接続されています。ここでは星型接続の三相誘導モーターを例に取ります。単相電源電圧は200-230V（50Hz）であるのに対し、三相電源電圧は400-440Vであるため、オートトランスで電圧を昇圧します。

オートトランスなしでこの回路を使用することも可能です。その場合、電圧は単相電源レベル（200-230V）のままです。この場合もモーターは回転しますが、電圧が低いためトルクが低下します。この問題は、追加の始動用コンデンサ（図1）を接続することで解決できます。このコンデンサは始動用コンデンサまたは位相固定コンデンサと呼ばれます。

モーターの回転方向を逆にする必要がある場合は、下図のように接続図を変更します。

制限事項：

• 三相誘導モーターの出力電力は定格全負荷電力の2/3に低下します。
• この方法は一時的な用途に適しており、連続運転には向きません。
• この方法では、2相に継続的に負荷がかかるため、モーターの寿命が短くなります。

VFDを使用する方法

VFDは可変周波数ドライブ（Variable Frequency Drive）の略です。モーターを制御する装置で（運転時の可変速度制御）、負荷に応じてモーターの入力電流を調整します。この装置により、モーターを変動負荷条件下で効率的に運転できます。

この方法は、三相誘導モーターを単相電源で運転するのに最適です。利用可能な単相電源をVFDに入力し、VFDで整流して直流に変換、再び三相交流に変換して出力します。出力三相交流の周波数はVFDで調整されます。

つまり、単相電源をVFDに入力し、VFDの出力（三相電力）を三相モーターの入力として使用します。また、モーター始動時の突入電流を抑制し、停止状態から定速までスムーズな始動を実現します。用途やモーターに合わせて様々な種類・定格のVFDが市販されており、適切なVFDを選定するだけで済みます。

VFDのコストは静止コンデンサより高いですが、モーターの性能は向上します。ロータリーフェーズコンバータよりは安価です。そのため、ほとんどの用途ではロータリーフェーズコンバータの代わりにVFDが使用されています。

VFDの利点：

• VFDのパラメータ調整により、モーターのソフトスタートが可能。
• 最高性能で、より高い効率での運転が容易。
• 過電圧、過負荷、過熱などからモーターを保護する自己診断機能を搭載。
• モーターの自動制御をプログラム可能。

ロータリーフェーズコンバータを使用する方法

三相誘導モーターを単相電源で運転するもう一つの方法は、ロータリーフェーズコンバータ（RPC）を使用することです。この方法は非常に高価ですが、他の方法と比較して最高の性能を発揮します。ロータリーフェーズコンバータは出力側で完璧な三相信号を生成するためです。しかし、コストが非常に高いため、広く普及していません。

ロータリーフェーズコンバータの接続図は下図の通りです。