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モーター始動時の変圧器容量選定：電圧降下、固定子ロック電流、インピーダンスについて解説
先季度、湾岸地域の食品加工工場から、単一の1,000 kVA変圧器に3台の200 hpモーターが接続されたワンライン図が送付されました。すべてのモーターは直接始動（DOL）方式で運転されていました。変圧器の容量は定常負荷に対して十分な余裕がありました。しかし、初回の始動時にトラブルが発生しました。480 V母線電圧が大きく低下し、ライン接触器が開放され、モーターは定格回転数に達することなく停止。工場は電気技術者の到着を待つしかありませんでした。ただし、機器の破損は一切ありませんでした。 モーター始動時の変圧器容量設計 がそもそも計算されていなかったのです。
このような見落としは珍しくなく、しかも高コストを伴います。モーターの銘板には出力（hp）と定格電流（A）しか記載されていません。ローターが加速する数秒間に変圧器が供給しなければならないkVA値は示されておらず、この値こそが、母線電圧を維持できるかどうかを左右する決定的な要因となるのです（定常負荷ではなく）。
なぜモーター始動が変圧器の問題となるのか
運転中のモーターと始動中のモーターは、同一の型番プレートが取り付けられているものの、性質の異なる二種類の負荷です。定常回転状態では、誘導モーターは定格負荷電流に近い電流を力率約0.85～0.9で消費し、その負荷は主に有効電力です。停止状態では、ロータのインピーダンスが急激に低下し、NEMA Design Bモーターの場合、電流は定格負荷電流の約6倍に跳ね上がり、力率は0.15～0.3程度まで低下します。
始動中のモーターは、ほぼ純粋な無効電流を引き込みます。変圧器および母線から見ると、これは大きなインダクタンスが一括して投入された状態と同様であり、まさにこの無効電流が変圧器のインピーダンスに起因する電圧降下を生じさせます。
多くの購入者が見落としがちな点は、この電圧低下はモーターの欠陥ではなく、モーター供給メーカーが絶縁クラスを向上させることで解決できる問題でもないという点です。この電圧低下は、システム全体の特性であり、モーターの始動時皮相電力（kVA）と変圧器の短絡容量との比に依存します。したがって、 モーター始動時の変圧器容量設計 この仕様は、図面における変圧器側で決定されるべき事項です。
同一の物理現象に基づいて、両当事者が共通に参照する基準が定められます。NEMA MG 1規格では、すべてのモーターに「ロックロータkVAコード文字」が割り当てられており、ユーザーが信頼できる始動性能が明確に定義されています。これは、サプライヤーへの質問が契約上の問題へと発展した際にも役立つ有用な参照資料です。NEMA モーター・ジェネレーター規格プログラム がこの文書を刊行しています。
モーター銘板から始動負荷を読み取る
コード文字は、 ロックロータkVA をモーターデータシートなしで迅速に把握するための最も簡単な方法です。
このコードは、出力（馬力）を直接ロックロータkVAに換算するものであり、すべてのNEMAモーターの銘板に記載されています。
| コード文字 | 出力1hpあたりのロックロータkVA |
| E | 4.5～4.99 |
| F | 5.0～5.59 |
| G | 5.6～6.29 |
| 時間 | 6.3～7.09 |
| J | 7.1～7.99 |
| K | 8.0～8.99 |
このコードはAからVまでで、アルファベット順に数値が大きくなります。たとえば、同じ出力のモーターでも、コードFのものと比べてコードKのモーターは、変圧器に約60％多い負荷を要求します。200hpのコードFモーターの始動時需要は1,000～1,118kVAですが、同じ200hpのコードKモーターでは1,600～1,798kVAに達します。このコードはカタログではなく、実際の銘板に記載されたものを確認してください。なぜなら、これは単独で設備容量の設計判断を左右する唯一の数値だからです。
これに加えて、以下の3つの情報も必要です：
- 1時間あたりの始動回数。 各始動は、モーターおよび変圧器巻線にとって熱的負荷（サーマルイベント）となります。モーター製造メーカーは、許容される1時間あたりの始動回数の特性曲線を公表していますが、変圧器も同様の運転条件に耐えられる必要があります。
- 負荷トルク特性。 遠心ポンプはほぼ無負荷で始動するが、負荷をかけたコンベア、容積式圧縮機、あるいは慣性モーメントの大きいファンでは、加速帯域に十分な時間とどまることで、電圧低下などの影響が無視できなくなる場合がある。
- 始動方式。 直接始動（DOL）、自己トランス始動、Y-Δ始動、ソフトスタータ、およびインバータ（可変周波数駆動）では、それぞれトランスに異なる電流波形を印加する。
モータ始動時のトランス容量選定：すべてのRFQに記載すべき計算
簡易計算は手計算でも可能である。トランスの短絡容量は、その定格容量（kVA）を単位法インピーダンス（%Z）で割った値であり、この容量に対するモータ始動時kVAの割合（％）を算出すれば、おおよその電圧低下率が得られる。
電圧低下率（％） ≈ （モータ始動時kVA × トランス%Z） ÷ トランス定格容量（kVA）
インピーダンス5.75％のポンプ場事例を用いて計算した。運転中の2台のモータに加え、新たに1台の200hp・コードFモータを始動させる場合。
| トランス | 短絡容量 | 始動時kVA | 算出された電圧低下率 |
| 500 KVA | 8,696 kVA | 1,060 kVA | 12.2% |
| 750 kVA | 13,043 kVA | 1,060 kVA | 8.1% |
| 1,000 kVA | 17,391 kVA | 1,060 kVA | 6.1% |
3つのポイントに注目すべきです。第一に、電圧低下は変圧器のkVA容量とほぼ直線的に変化するため、変圧器の容量選定はすなわち電圧低下の許容値を決める作業となります。第二に、インピーダンスはそれ自体が調整可能なパラメーターです。たとえば500 kVAの変圧器において、インピーダンスを5.75％から4.0％に下げると、変圧器の容量を大きくせずに電圧低下を約8.5％まで抑えることができます。第三に、この計算はあくまで簡易的なスクリーニングであり、正式な解析の代わりにはなりません。この方法では、系統からの供給インピーダンスや、すでに母線に接続されて運転中のモーターの影響を無視しており、これらは実際の電圧低下をさらに増大させます。したがって、得られた数値を最終的な判断根拠とするのではなく、十分な余裕を持った設計を行う必要があります。
工場が定格負荷で運転している状態において、起動が想定されるすべてのモーターについて、同様の計算を行い、さらに最も厳しいと考えられる複数モーターの同時起動組み合わせについても再計算します。電力会社およびコンサルタントは、詳細な解析を実施します。一方、このような簡易チェックを再現できない変圧器メーカーは、単にkVAという数値を提示しているだけであり、システム全体の設計対応ができているとはいえません。
許容できる電圧低下の程度はどれほどか、また実際に何がトリップを引き起こすのか
多くの産業用プロジェクトで採用されている簡易チェックの目標値は 電圧低下 始動時のモータ端子における電圧低下は10％以下とすること。専用の電源回路（他の感度の高い負荷と母線を共有しない場合）では、15％まで許容される場合もあるが、これは現場の電気技術者が書面で明確に判断・決定すべき事項であり、試運転中に初めて気づくようなものであってはならない。
この制限値がモータ単体の耐えられる範囲よりも厳しく設定されている理由は、電圧低下に対する最初の異常反応を示すのは、通常モータではなく他の機器であるためである。
- 接触器のコイルは、定格電圧の約85％まで保持動作が可能と規定されていることが多く、したがって15％の電圧低下によって、モータ自体には影響がなくてもスタータが開放してしまう可能性がある。
- インバータや電源装置は、直流中間回路（DCバス）のホールドアップ時間内のみ電圧低下を乗り越えることができる。
- 他の機器を保護するための低電圧リレーは、多くの場合、20％以上の電圧低下で作動するよう設定されており、これにより、単一のモータ始動が工場全体の停電（トリップ）を引き起こすおそれがある。
- 電力会社が定める点滅（フリッカ）限度値は、共用の供給系統において繰り返し始動を行うことを制約する要因となり得る。これは、現場内のすべての負荷が電圧低下に耐えられる場合でも同様である。
始動時のモータ保護については、別途専門的な検討が必要であり、業界標準としてIEEE 3004.8が参照される。 産業および商業用電力システムにおけるモータ保護の推奨実施方法 接触器制御式および遮断器制御式スターターの起動、母線切替、低電圧保護をカバーしています。
電圧低下を実際に解消する仕様決定
数値が明確になると、選択肢はコストと副作用によって自然と整理されます。
- より大きなkVA容量の機器を購入する。 比例関係にあり、単純ですが、短絡電流も増加させるため、下流機器の定格を見直す必要が生じる場合があります。
- インピーダンスを低く指定する。 効果的ですが、%Zを低くすると短絡時の巻線への機械的応力が高まり、短絡電流も増加します。目標値として許容範囲を明記し、あいまいな希望として指定しないでください。
- 大容量モータ専用の変圧器を設ける。 共用変圧器の容量アップに比べ、専用変圧器による分離の方がコストが抑えられることが多く、ポンプ起動によるプロセスラインへの影響も防げます。
- 始動方式は、意図的に選択してください。 65％タップの自己トランス形始動器を用いると、印加電圧の2乗に比例してトルクおよび線電流が変化するため、線電流を直接始動時（DOL）の約42％まで低減できます。スター・デルタ始動では、直接始動時の約3分の1の線電流となります。ソフトスターターやインバータ駆動装置を用いると最も滑らかな始動特性が得られますが、それら自体が変圧器側に高調波や保護に関する追加の検討事項をもたらします。
- 電圧低下だけでなく、熱的負荷率（サーマル・デューティ）も確認してください。 連続した始動により巻線が加熱されます。単一始動の計算では許容される変圧器でも、周囲温度が最大の状態で1時間あたり6回の始動を要求する仕様には適合しない場合があります。
- モーターの効率がこの問題を助けるとは期待しないでください。 NEMAプレミアムモーターは、運転時の損失を低減します——これが米国エネルギー省が「 モーターシステム 」プログラムを維持している理由です——しかし、始動時の損失は低減しません。 ロックロータkVA 始動性能と定格運転効率は、それぞれ独立した銘板仕様です。
励磁突入電流との違いにご注意ください。無負荷変圧器の投入時に遮断器をトリップさせるリアクタ・スラッシング電流は、別の現象であり、当社の「 変圧器の励磁突入電流 」ガイドで解説しているように、独自の仕様要件を伴います。両者は同一プロジェクトで同時に発生することがありますが、いずれも他方によって解決されることはありません。
ライアン・エレクトリック社のモータ負荷対応手法
ライアン・エレクトリック（江蘇ライアン・エレクトリック有限公司）は2007年より変圧器の製造を手掛けており、2023年からイートン社の正式な合弁パートナーとして活動しています。モータ負荷が主体となる産業用プロジェクトは通常、「 電力トランスフォーマー 」または配電用変圧器の導入要請として、所定のインピーダンス目標値および始動条件を伴って依頼されます。当社エンジニアが見積作成に最も時間を割くのは、この部分です。
作業の大半は初期段階で行われます。当社では、まずモータ一覧表（出力馬力、コード文字、電圧、始動方式）を依頼したうえでkVA容量の見積もりを行います。なぜなら、インピーダンスの選定および巻線設計は、 モーター始動時の変圧器容量設計 カタログページからの選定ではなく、計算による選定です。プロジェクトで特定のインピーダンス帯域、特殊なタップ範囲、または2次側のデュアル電圧仕様が必要な場合、整流器用や炉用変圧器と同様のカスタム設計工程を経て製作します。認証対応範囲にはUL、CSA、IEEE、DEKRA、CNAS、CEが含まれ、すべての製品には出荷時に通常試験データ（変圧比、巻線抵抗、インピーダンス、無負荷損失、負荷損失、絶縁耐力試験）が添付されます。これにより、現場の受入検査担当者が、設計計算に使用されたインピーダンス値と実際の納入品のインピーダンス値を照合・確認できます。
RFQに記載すべき内容
あいまいな問い合わせを、具体的な変圧器仕様へと明確化するための5つの要点：
- モーター一覧表（出力［馬力］、NEMAコード文字、電圧、NEMA設計文字またはIEC始動クラス）
- 始動方式およびその結果生じる一次側電流波形
- 1時間あたりの許容始動回数および周囲温度（設計基準）
- 許容電圧降下値、および既にモーター始動解析が実施済みかどうか
- 一次側での利用可能な故障電流。これにより、インピーダンスと遮断定格を相互に整合させることができます。
上記の5項目を送付いただければ、変圧器の見積りは単なる仮定に基づく価格比較ではなくなります。モータースケジュールおよび単線結線図をお持ちの場合は、以下の宛先へお送りください。 当社のお問い合わせページから 当社のエンジニアリングチームが、kVAおよびインピーダンスの推奨値とともに、電圧低下計算結果を添えてご返信いたします。
著者について — 本ガイドは、江蘇瑞安電気有限公司（江蘇省南通市に本社を置く、乾式・油入・地上据付型およびコンパクトサブステーション製品のメーカー）の中電圧変圧器エンジニアリングチームが作成しました。同社は2023年よりイートン社との正式な合弁パートナーです。当チームは、仕様レビューから工場受入試験（FAT）に至るまで、産業用・公益事業用・インフラプロジェクトをサポートしており、10 kVから110 kVクラスまでの変圧器設計に対応しています。