直流電動機の速度制御と始動法｜電圧制御・界磁制御・抵抗制御を比較

みんなが欲しかった! 電験三種理論の教科書&問題集第3版 [CBT試験もバッチリ！](TAC出版) (みんなが欲しかった！電験三種シリーズ)

ポチップ

ポチップ

3つの速度制御法：比較一覧

詳細を説明する前に、まず3つの方法の全体像を表で把握しておきましょう。試験直前の見直しにも使えます。

項目	① 電圧制御	② 界磁制御	③ 抵抗制御
変える量	端子電圧 V	磁束 Φ（界磁電流 If）	電機子回路の抵抗 R
速度範囲	基底速度以下	基底速度以上	基底速度以下
効率	✅ 高い	✅ 高い	❌ 低い（抵抗損失）
設備コスト	高い	安い	最も安い
速度調整率	✅ 良い（安定）	✅ 良い	❌ 悪い（負荷変動で速度変化）
主な用途	精密速度制御電気機関車・圧延機	高速運転送風機・ポンプ	簡易な速度制御クレーン・巻上機

① 電圧制御：基底速度以下を滑らかに制御する

仕組みと速度への影響

端子電圧Vを下げると、逆起電力Eとの差（V − E）が減り、電機子電流Iaが一時的に変化しますが、最終的には回転速度nが下がる方向で落ち着きます。

【電圧制御の動作メカニズム】
    V を下げる

    → (V − IaRa) が減る

    → n =（V − IaRa）/ kΦ が小さくなる

    → 回転速度 n が低下

ワード・レオナード法とチョッパ制御

🏭 ワード・レオナード法（従来）

別の直流発電機（励磁機）を使って電動機の端子電圧を可変にする方式。設備が大規模になるが、なめらかな制御が可能。製鉄所の圧延機などに使用されてきた。

⚡ サイリスタ・チョッパ制御（現代）

サイリスタ（またはIGBT）で電圧を高速ON/OFFし、平均電圧を変化させる方式。ワード・レオナード法より小型・高効率で現在の主流。電気自動車にも応用される。

💡 電圧制御の特徴まとめ
✅ 基底速度（定格電圧・定格界磁での速度）以下を制御
✅ 磁束Φを一定に保つため、トルク一定のまま速度を変えられる
✅ 効率が高く、速度調整率が良い
⚠️ 設備コストが高い

「電気回路、マジわからん」と思ったときに読む本

¥2,156 （2026/03/03 08:14時点 | Amazon調べ）

【整備済み品】 Apple iPad Pro 12.9インチ (第４世代) Wi-Fi 128GB スペースグレイ (整備済み品)

ポチップ

② 界磁制御：「弱め界磁」で基底速度以上に上げる

界磁制御は、3つの中で最も「なぜ？」が問われやすい制御法です。「界磁を弱めるとなぜ速度が上がるのか」を式から説明できるようにしておきましょう。

「弱め界磁で速度が上がる」理由

【界磁制御の動作メカニズム】

界磁抵抗器でIfを減らす
→ 磁束 Φ が減る
→ 逆起電力 E = kΦn が一時的に減る
→ (V − E) が増える → Ia が増える → トルク T = kΦIa が…
→ Φが減ってもIaが増える → 回転速度 n が上昇して新しい平衡点へ
→ n = (V − IaRa) / kΦ で分母Φが小さい → n が大きくなる

🔧 現場の声（たとえ話）
界磁制御は「自転車のギアチェンジ」に似ています。軽いギア（弱め界磁）に変えると、ペダルは重くなるが回転数（ケイデンス）が上がる。重いギア（強め界磁）では、1漕ぎの力は大きいが回転数は低い。電動機も同じで、界磁を弱めるとトルクは下がるが回転速度が上がります。

界磁制御の特徴と注意点

速度範囲	基底速度（定格）以上〜最高許容速度まで。電圧制御と組み合わせると広範囲の速度制御が可能。
長所	界磁回路は電流が小さい（Ifは小さい）→ 損失が少なく効率が高い。制御機器も小型・安価。
短所・注意点①	Φを弱めすぎると危険。Φが非常に小さくなると n = (V − IaRa)/(kΦ) の分母が極端に小さくなり、速度が急上昇（暴走）する。最低限の磁束（最大界磁抵抗）は必ず制限が必要。
短所・注意点②	Φを弱めると電機子反作用が相対的に強くなる。整流が悪化しやすい。
出力の特性	界磁制御では出力P ≒ 一定（定出力制御）。速度が上がるとトルクが下がるが出力は変わらない。電圧制御は定トルク、界磁制御は定出力と覚える。

③ 抵抗制御：最も安価だが効率が悪い

抵抗制御は、電機子回路に可変抵抗Rを直列接続して回転速度を下げる方法です。最もシンプルな制御法ですが、抵抗での電力損失が大きく効率が悪いという決定的な欠点があります。

【抵抗制御の動作メカニズム】

電機子回路に抵抗Rを直列接続
→ 式が n = (V − Ia(Ra + R)) / kΦ になる
→ (Ra + R) が増える → 分子が減る
→ 回転速度 n が低下

✅ 長所

設備が単純で安価
追加する抵抗器だけでよい
特別な電源装置が不要

❌ 短所

抵抗での電力損失 Ia²R が大きく非効率
速度調整率が悪い（負荷が変わると速度が大きく変動）
低速ほど効率が悪化する

💡 なぜ速度調整率が悪いか
n = (V − Ia(Ra + R)) / kΦ の Ia は負荷によって変わります。直列抵抗Rが大きいほど、負荷電流Iaの変化が回転速度nに与える影響が大きくなります。たとえるなら、ブレーキを踏みながらアクセルを踏んでいる状態。踏む力（負荷）が少し変わるだけで速度が大きく変わります。

⚠️ 試験の正誤問題でよく出るひっかけ
「抵抗制御は効率が良い」→ 誤り（抵抗損失があるため効率は悪い）
「抵抗制御で基底速度以上に上げられる」→ 誤り（抵抗制御は速度を下げる方向のみ）

「どの制御法をいつ使うか」フローチャート

試験では「この状況に最適な速度制御法はどれか」という選択問題も出ます。次のフローチャートで整理しておきましょう。

直流電動機の速度を変えたい

▼

基底速度（定格速度）より
上げたい？下げたい？

⬆️ 基底速度より上げたい

▼

② 界磁制御
（弱め界磁）

界磁抵抗を増やしてIfを減らす
Φ↓ → n↑
定出力制御

⬇️ 基底速度より下げたい

▼

効率・精度が重要か？

✅ 重要

① 電圧制御

Vを下げる
定トルク制御
高効率・高コスト

⚡ 簡易・安価でよい

③ 抵抗制御

直列抵抗追加
低効率・低コスト
一時的使用向き

📐 「電圧制御＋界磁制御」の組み合わせが最強
実用的な直流電動機では、基底速度以下：電圧制御（定トルク）＋基底速度以上：界磁制御（定出力）を組み合わせます。広い速度範囲を高効率で制御できるため、電気機関車や工作機械の主軸に使われています。

¥98,800 （2026/03/20 10:04時点 | Amazon調べ）