サーマルリレーは、モータの温度を見ていない ― 誰が、何から、モータを守っているのか

サーマルリレーは、電気の仕事をしていれば、たいてい一度は触ります。交換も、整定も、トリップしたあとのリセットも。

では、あれは何を見て動いているのか。

「熱で動く」までは、たいてい知られています。問題は、誰の熱かです。

手元の盤で確かめられます。サーマルリレーは、モータから何メートル離れたところに付いていますか。

同じ盤の中にモータはいません。リレーは電気室、モータは設備の上。別の場所にいて、電線1本でつながっているだけです。

電気室の盤の中に電磁接触器とサーマルリレー、離れた設備の上にモータを置いた模式図。2つを結んでいるのは電流だけで、盤の周囲温度とモータの周囲温度はつながっていないことを示している。

サーマルは、モータの温度を測っていない
検出と遮断は、別の部品がやっている
「何秒で飛ぶか」は、整定では決まっていない
始動に時間がかかる機械では、帯が狭くなる
サーマルだけでは、守れないものがある
その数字は、どこにあるか
まとめ
参考にした資料

サーマルは、モータの温度を測っていない

動いているのはバイメタルです。膨張率の違う2枚の金属を貼り合わせたもので、温まると曲がります。

では何が温めるのか。ヒートエレメントに流れる電流です。モータの温度ではありません。

サーマルリレーは、モータと同じ電流を受けて、モータより先に熱くなるように作られています。

だから、こうなります。

サーマルリレーは、自分の温度で動いています。

モータがどれだけ熱いかは、見ていません。

夏場、定格以下でトリップしたことがあるなら、それは誤動作ではありません。電気室が暑く、盤の中がさらに暑い。リレーのほうが先に熱くなっただけで、原理どおりです。

メーカーの仕様は、周囲温度20℃を基準に書かれています。20℃なら、定格の105%までは動きません。ところが40℃では、100%までしか保証されません。

暑くなると、「動かない」と言える範囲が5%分せまくなります。夏の盤で起きているのは、これです。

周囲温度の影響を減らす補償機構を持つ機種もあります。ただし、それが補償するのはリレー自身の周りの温度で、モータがいる場所の温度ではありません。

検出と遮断は、別の部品がやっている

サーマルがやっていないことは、もう1つあります。

モータの温度を見ていないだけではありません。サーマルは、モータを止めてもいません。主回路を切っているのは、サーマルではないからです。

サーマルの接点が切るのは操作回路です。それで電磁接触器のコイルが切れ、接触器が主回路を開く。サーマルは検出係で、遮断係は接触器です。

三相電源から主接点、ヒートエレメントを経てモータにつながる主回路と、サーマルの接点と接触器のコイルMCが入った操作回路を並べた回路図。ヒートエレメントとサーマルの接点は熱でつながっており、電気的にはつながっていない。主接点が溶着するとここが開かないことを注記している。

接触器が開かなければ、モータは止まりません。

接点が溶着していれば、信号は切れているのに回り続けます。検出は正しく働いていても、止まりません。

メーカーの資料にも、その先が書かれています。「サーマルリレーが接点信号を出力した後も、何らかの理由により、過電流通電が持続すると、ヒータが溶断する場合がある」── 切れないまま流れ続ければ、リレー自身が焼けます。

リセットしても直りません。リセットで復帰するのはサーマルの接点だけで、溶着した主接点はそのままだからです。

「何秒で飛ぶか」は、整定では決まっていない

サーマルがやっていないことを、もう1つ。「何秒で飛ぶか」は、整定では決めていません。

サーマルの整定でやることは、目盛りをモータの定格電流に合わせること。これだけです。

そのあと、リレーはメーカーの仕様書どおりに動きます。ある製品の動作基準（周囲温度20℃、3極負荷）は、こうです。

電流	動作	条件
105%	2時間以内に動作しない	コールドスタート（冷えた状態から）
120%	2時間以内に動作する	ホットスタート（温まった状態から）
150%	2分以内に動作する	ホットスタート（温まった状態から）
720%	2秒を超え、10秒以内に動作する	コールドスタート（冷えた状態から）

表の右端に注目してください。同じリレーでも、冷えているときと温まっているときで、動作の基準が違います。105%で動かないのは冷えているとき、150%で2分というのは温まっているときの話です。

リレーは自分の温度で動くので、当然こうなります。停止状態から始動すればリレーは冷えていて動作は遅く、運転中に拘束すればリレーは温まっていて早く飛ぶ。

この「何秒で」を決めているのが、トリップクラスという分類です。同じ電流倍率で、何秒後に動くかで分かれています。さきほどの製品はクラス10Aで、設定電流の7.2倍のとき、2秒を超え10秒以内に動作します。

目盛りをどう回しても、この時間は変わりません。機種を選んだ時点で決まっています。

整定は、決まったことを運用に移す作業です。

守れるかどうかは、その前に、機器を選んだときに決まっています。

そして、選ぶときに見るものが3つあります。

始動の点 ── 何アンペアが何秒流れるか
リレーの動作特性 ── 何アンペアで何秒後に動くか
モータの許容拘束時間 ── 回らないまま、何秒まで耐えられるか

拘束中は軸が止まっているので、冷却ファンも回っていません。そこで、回転子の発熱は定格運転の37倍になります。（この37倍の理由は記事「すべり4%は、そのまま4%が熱になる」で説明しています）

リレーが見ているのは、モータへ流れ込む電流だけです。回転子がどれだけ熱くなっているかは、そこに入っていません。だから、許容拘束時間を別に調べて突き合わせます。

横軸がモータに流れる電流、縦軸が時間の両対数グラフ。上のモータの許容曲線と、始動の点を通る破線とのあいだが「選定の帯」として塗られ、その中に選んだリレーの線が1本引かれている。縦軸の読み方として、赤はその電流に耐えられる時間、青はその電流で動作するまでの時間、点はその電流が実際に流れる時間だと注記されている。横軸の左端は定格より少し上。始動に時間がかかると点が上がり、帯は下から狭くなることを矢印で示している。

リレーの線は、始動の点より上を通り、モータの線より下を通らなければなりません。上を通らなければ始動のたびに飛び、下を通らなければ守れない。その間の帯が、選定の仕事です。帯の下の縁は、始動の点の高さです。

意味が違う3つを1枚に重ねられるのは、どれも「電流いくつで、何秒」という形で書けるからです。メーカーのカタログの曲線も、この形で描かれています。

※この図は、定格より上の過負荷の領域だけを描いています。定格そのものでは、リレーは動作しません。

実際の始動では、電流は加速につれて下がっていきます。図では、いちばん大きい電流と、始動時間の1点で代表させています。

始動に時間がかかる機械では、帯が狭くなる

始動に時間がかかれば、始動の点は上へ動きます。リレーの線は、その上を通らなければならない。だから、動作の遅い機種を選ぶことになります。

そのぶん、下の縁が上がって帯が狭くなります。通せる線の選択肢が減り、残るのはモータの線に近いものだけになります。

ただし、これは電流が変わらないまま時間だけ延びる場合です。慣性の大きい機械を全電圧で始動するときが、これにあたります。始動時間が長い大型ファンに長限時形を使うのは、この理由です。

電圧を下げて始動する方式では、話が違います。電流が下がって時間が延びるので、点は左上へ動きます。（スターデルタで加速に3倍かかることは、記事「スターデルタ始動でも、モータの発熱は減らない」で説明しています）

このとき帯がどうなるかは、一概に言えません。リレーをどこに入れるかでも変わります。ここでは、電流が変わらないまま始動が長引く場合を扱います。

始動を通すために遅い機種を選べば、拘束を検出するのも、そのぶん遅くなります。

始動を通す設定と、拘束を早く切る設定は、引っ張り合います。

どちらも満たす1つの正解はなく、帯の中のどこに置くかの判断になります。

よく飛ぶから、目盛りを上げる。これで飛びにくくはなります。

ただし、動いたのはリレーの線だけです。モータの許容曲線は、1ミリも動いていません。目盛りを上げれば、リレーの線は帯の中を上へ動き、やがて帯からはみ出します。そのとき、飛ばなくなった代わりに、守れなくなっています。

飛ぶのが困るなら、動かすのは目盛りではありません。始動の点を下げるか、機種を選び直すか、盤の温度を下げるか。そのどれかです。

サーマルだけでは、守れないものがある

ここまでは、サーマルが守るものの話でした。守れないものもあります。1つは、短絡です。

電磁接触器には、切れる電流の上限があります。短絡電流はその上です。だから短絡は、上流の配線用遮断器（MCCB）が動作して、接触器の能力の不足を補います。

過負荷はサーマル、短絡はMCCB。役割が分かれているのは、切れる能力が違うからです。

欠相も、標準のサーマルだけでは足りない場合があります。欠相を早く見つけるには、欠相要素を持つリレーが望ましいとされています。実際、過負荷に欠相を足した「2Eリレー」、それに反相（相順が逆）を足した「3Eリレー」が、標準のサーマルとは別に売られています。

欠相のときに電流がどう増えるかは、結線と機種で変わります。数字はここでは出しません。

相順が逆になっていることは、電流の大きさをいくら見ても分かりません。

なお、巻線に温度検出素子を埋め込んで、温度そのもので守る方式もあります。すべてのモータに付いているわけではなく、必要な場合に併用されるものです。

端子箱に、主回路のほかに端子が来ていることがあります。温度検出素子かもしれませんし、別のものかもしれません。何が来ているかは、仕様書で確かめてください。

その数字は、どこにあるか

要る数字	どこにあるか
定格電流	銘板。読めなければ図面や仕様書
リレーの動作特性	メーカーのカタログの曲線
許容拘束時間	銘板にはありません。メーカーの技術資料や仕様書
短絡遮断の担当	上流のブレーカ（MCCB）の仕様
巻線温度検出素子の有無	仕様書