1.ACドライブ(可変周波数ドライブ)の紹介 現代の産業制御の領域では……
続きを読む低電圧可変周波数ドライブ (一般に LV VFD と略称) は、AC 誘導モーターに供給される電源の周波数と電圧を変更することによって、AC 誘導モーターの速度とトルクを制御する電子電力制御デバイスです。グリッド周波数 (地域に応じて 50 Hz または 60 Hz) によって決定される固定速度でモーターを動作させる代わりに、低電圧 VFD を使用すると、ゼロ付近からフルスピード、場合によってはそれを超える速度まで、モーターの回転速度を正確に調整できます。
「低電圧」の指定は動作電圧範囲を指します。通常は AC 1,000V 未満で、最も一般的な産業用定格は 208V、230V、380V、400V、460V、および 480V です。これにより、LV ドライブは、1,000 V 以上で動作し、大型コンプレッサー、船舶の推進装置、実用規模のポンプ ステーションなど、より大規模で特殊な用途に使用される中電圧 VFD と区別されます。商用および産業用モーター制御アプリケーションの大部分は、まさに低電圧のカテゴリーに分類されます。
その核心となるのは、 低電圧可変周波数ドライブ は 3 段階のプロセスを経て動作します。最初に入力 AC 電力を整流段で DC に変換し、コンデンサを使用して DC バスを介してその DC を平滑化し、次に絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) を使用して可変周波数 AC 出力に反転します。この出力は、指令した周波数の AC 電力を模倣し、モーターは対応する回転速度として読み取ります。
低電圧可変周波数ドライブは、非常に幅広い業界や用途に使用されています。エネルギー消費を大幅に削減しながらモーター速度を正確に制御できる機能により、現代の産業において最も影響力のある電気機器の 1 つとなっています。モーターの機能を理解すると、AC モーターが使用されているほぼすべての場所で、モーターが使用される機会が見つかるようになります。
最も一般的な応用分野は次のとおりです。
アプリケーションに対して間違った可変周波数ドライブを選択することはよくある間違いであり、コストが高くなります。 LV VFD のデータシートには数十のパラメータが含まれていますが、正しい選択には焦点を絞った一連の仕様が最も重要です。サプライヤーに相談したり注文したりする前にこれらを理解しておくと、時間を大幅に節約し、誤用を防ぐことができます。
LV VFD は、単相 (1Ø) と三相 (3Ø) の両方の入力電源に使用できます。単相入力ドライブは通常、最大約 3 ~ 5 kW で利用可能で、軽負荷の商用または住宅用アプリケーションで使用されます。三相入力ドライブは数分の一キロワットから数百キロワットまでの全範囲をカバーしており、産業用の標準となっています。利用可能な電源が 208V、230V、380V、400V、または 480V であるかどうかを常に確認してください。ドライブは特定の入力電圧に対して定格されている必要があります。
ドライブの出力電力定格は、制御するモーターの定格電力と一致するか、それを超える必要があります。ただし、正しいサイズは銘板の kW と一致するだけではありません。また、負荷のタイプも考慮する必要があります。遠心ポンプ (可変トルク負荷) を駆動する VFD は、多くの場合、モーターの定格 HP でサイズ設定できますが、クラッシャーまたはホイスト (一定または高離脱トルク) を駆動する VFD は、始動時および負荷ピーク時のより高い電流需要に対処するために、1 フレーム サイズ分大きくする必要がある場合があります。
VFD の IGBT と熱管理システムに実際に負荷をかけるのは、電力ではなく電流です。ドライブの連続出力電流定格とモーターの全負荷アンペア数 (FLA) を常に照合してください。要求の厳しいアプリケーションの場合は、ドライブの過負荷電流容量も確認してください。通常は 60 秒間 110% または 150% で表され、過電流でトリップすることなく一時的な負荷スパイクから保護されます。
IGBT スイッチが動作するキャリア周波数 (通常 2 ~ 16 kHz) は、モーターのノイズ、モーターの加熱、ドライブの熱負荷に影響を与えます。キャリア周波数が高いと、モーターが「好む」滑らかで静かな出力波形が生成されますが、ドライブ自体の内部でより多くの熱が発生します。多くのドライブでは、試運転時にキャリア周波数を調整して音響性能とドライブ温度のバランスをとることができますが、場合によっては、より高い設定で出力電流のディレーティングが必要になります。
ドライブのエンクロージャは設置環境に適合する必要があります。 IP20 または NEMA 1 は、清潔な屋内制御パネルに許容されます。 IP54 または NEMA 12 は、ほこりの多い、または軽く湿った産業環境に適しています。洗浄または屋外設置には IP65 または NEMA 4 が必要です。 IP54 が要求される環境に IP20 ドライブを設置すると、汚染に関連した障害が発生し、保証が無効になり、安全上の危険が生じる可能性があります。
低電圧 AC ドライブの適切なサイジングは、単純な検索ではなく体系的なプロセスです。信頼できる選択を行うには、次の手順に従ってください。
最新の低電圧可変速ドライブは、さまざまなアプリケーション要件に適した複数の制御モードを提供します。違いを理解すると、適切なドライブを選択し、コミッショニング中に正しく構成することができます。
| 制御モード | 仕組み | 最優秀アプリケーション | エンコーダは必要ですか? |
| V/Hz (スカラー) | 固定の電圧対周波数比を維持 | ファン、ポンプ、単純な可変トルク負荷 | いいえ |
| 開ループベクトル (SVC) | フィードバックなしで磁束とトルクを推定します | コンベヤ、ミキサー、一般定トルク | いいえ |
| 閉ループベクトル (FOC) | エンコーダフィードバックを使用して正確なトルク/速度制御を実現 | ホイスト、巻取機、工作機械、位置決め | はい |
| ダイレクトトルクコントロール(DTC) | トルクと磁束を直接計算して制御 | 高性能産業プロセス | オプション |
ほとんどのポンプおよびファンのアプリケーションでは、V/Hz 制御で完全に適切であり、設定も簡単です。開ループ ベクトル制御は、より優れた低速トルクとより厳密な速度調整が重要となる一般的な産業用コンベヤおよびプロセス アプリケーションに最適です。閉ループ ベクトルと DTC は、正確な位置決め、ゼロ速度での高い始動トルク、またはミリ秒範囲の動的負荷応答を必要とする要求の厳しいアプリケーション向けに予約されています。
不適切な取り付けは、現場での LV VFD の故障やパフォーマンスの問題の大部分の原因となります。これらの設置ガイドラインに従うことで、迷惑なトリップ、コンポーネントの早期故障、周囲の機器への EMI 関連の干渉のリスクが大幅に軽減されます。
VFD を設置する場合、適切な接地は交渉の余地がありません。ドライブの PE (保護アース) 端子は、短く太い導体を使用して低インピーダンス アースに接続する必要があります。他の機器を介したデイジーチェーン接続のアースではなく、パネル内の専用アース バーが理想的です。ピグテールではなく 360 度の EMC ケーブル グランドを使用して、ドライブ出力端子とモーター端子箱の両方でシールドが終端されたシールド付きモーター ケーブルを使用します。ピグテール終端は、高周波 EMI に対するシールドの有効性を大幅に低下させます。
同じケーブル トレイまたはコンジット内で、モーター ケーブルを制御信号ケーブルまたは通信ケーブルと平行に配線しないでください。モーター ケーブル上の高周波スイッチング ノイズは、低レベルの信号配線に結合し、センサー、PLC、通信ネットワークに異常な動作を引き起こします。少なくとも 200 mm (8 インチ) の物理的分離を維持するか、分離できない場所ではケーブルを 90 度交差させて配線します。入力電源ケーブル、モーター ケーブル、および制御ケーブルは、理想的には別個の電線管または別個のトレイに配置する必要があります。
入力ライン リアクトル (AC ライン チョークとも呼ばれる) は、電源ネットワーク上の電圧スパイクや過渡現象からドライブを保護すると同時に、電源への高調波電流の注入も低減します。電源トランスがドライブの kVA 定格の 10 倍未満である場合、または電源に既知の電力品質の問題がある場合には、これらを強く推奨します。出力 dV/dt リアクトルまたは正弦波フィルタは、50 メートルを超えるモーター ケーブル長、古いモーターまたはインバーター定格のないモーター、およびモーター絶縁の寿命が重要な用途に推奨されます。
VFD は熱を発生し (通常、熱損失として定格電力の 2 ~ 3%)、動作温度制限内に維持するには適切な空気流が必要です。ドライブの上下および横のメーカーの最小クリアランス要件に従ってください (通常、上下 100 mm、側面 50 mm)。熱負荷を計算し、強制換気または熱交換器を設置せずに、密閉されたエンクロージャにドライブを設置しないでください。ドライブが熱限界近くで定期的に動作すると、電解コンデンサの寿命、つまり全体の耐用年数が大幅に短縮されます。
低電圧可変周波数ドライブで達成できるエネルギー節約は、特に親和性の法則が適用されるポンプやファンの用途において、投資を正当化する最も説得力のある理由の 1 つです。これらの物理法則では、流れは速度に応じて線形に変化し、圧力は速度の 2 乗に応じて変化し、出力は速度の 3 乗に応じて変化すると述べています。
| モーター速度 (最高速度の%) | 流量出力 (%) | 消費電力 (%) | 省エネルギーとフルスピードの比較 |
| 100% | 100% | 100% | 0% |
| 90% | 90% | 73% | 27% |
| 80% | 80% | 51% | 49% |
| 70% | 70% | 34% | 66% |
| 60% | 60% | 22% | 78% |
実際には、フルスピードではなく 80% の速度で動作する 75 kW のポンプ モーターの消費電力はわずか約 38 kW であり、1 時間あたり 37 kW の節約になります。このようなアプリケーションでの VFD 投資の回収期間は、電気料金が低めであっても 2 年未満であることが多く、部分負荷でモーターが継続的に動作するアプリケーションでは 12 か月未満であることがよくあります。エネルギー節約、機械的磨耗の軽減、モーター寿命の延長の組み合わせにより、低電圧 VFD の ROI ケースは、現在利用可能なエネルギー効率技術の中で最も強力なものになります。
適切に選択され、正しく取り付けられた低電圧 AC ドライブでも、障害が発生するとトリップすることがあります。最も一般的な障害コードとその根本原因を理解すると、トラブルシューティングが大幅に短縮され、ダウンタイムが短縮されます。最新の VFD のほとんどは、障害履歴をタイムスタンプとともに記録します。これは、障害がランダムに発生したのか、系統的に再発したのかを識別するのに非常に役立ちます。
最新の低電圧可変周波数ドライブは、もはやスタンドアロンのデバイスではなく、統合オートメーションおよびビル管理システムのネットワーク化されたコンポーネントです。 VFD の通信機能は、VFD をどのように監視、制御し、より広範なデジタル インフラストラクチャに統合できるかに大きく影響します。
現在の LV VFD プラットフォームでサポートされている一般的なフィールドバスおよび産業用ネットワーキング プロトコルには次のものがあります。
ネットワークアプリケーションに低電圧 VFD を指定する場合は、必要なプロトコルがドライブにネイティブに組み込まれているか、プラグイン通信モジュールとして利用できるかを確認してください。すべてのプロトコルがすべてのドライブ サイズやフレーム タイプで利用できるわけではありません。これは、パネルが構築されるまで見逃されることが多く、土壇場でのエンジニアリング変更に費用がかかることになります。
低電圧可変周波数ドライブの世界市場は、確立されたプレーヤーからの強力な製品と、より競争力のある新しい代替品によって、よく発達しています。特定のブランドを推奨するよりも、信頼性が高く、十分にサポートされているドライブと、長期的に問題を引き起こすドライブの違いを知ることの方が、より有益なアプローチです。
低電圧可変周波数ドライブは長期的な資産です。正しく指定され、保守されていれば、ほとんどの高品質ドライブの耐用年数は 10 ~ 20 年です。購入価格だけでなく総所有コストを評価することは、一貫してより良い決定を下し、後悔を減らすことにつながります。