低電圧可変周波数ドライブ: 購入または設置する前に知っておくべきことすべて

低電圧可変周波数ドライブが実際に行うこと

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 VFD が使用される場所と、なぜこれほど普及しているのか

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。

• HVAC システム: ファン、エアハンドリングユニット、冷却塔ファン、チラーコンプレッサーは、商業ビル内で最も多くの電気エネルギーを消費する機器の 1 つです。可変速ドライブにより、これらのシステムはフルパワーでオン/オフを繰り返すのではなく、エアフローと冷却出力をリアルタイムの需要に正確に合わせることができます。
• ポンプシステム: 給水、廃水処理、灌漑、プロセス流体処理、および消火システムはすべて、可変速度制御から多大な恩恵を受ける遠心ポンプを使用しています。ポンプの電力消費は 3 乗の法則に従うため、速度を 20% 下げるだけで消費電力が 50% 近く削減されます。
• コンベヤーおよびマテリアルハンドリング: 製造ライン、倉庫、梱包作業では、LV VFD を使用してコンベア速度を同期し、製品のスムーズな加速を可能にし、ベルトや駆動コンポーネントの故障の原因となる機械的衝撃負荷を防ぎます。
• コンプレッサー: 産業用圧縮空気システムのレシプロ コンプレッサーとスクリュー コンプレッサーはどちらも VFD 制御の恩恵を受け、スロットルやバイパス廃棄物を使用して固定容量で動作するのではなく、出力圧力と出力量を実際の需要に合わせます。
• 工作機械および CNC 装置: マシニング センター、旋盤、フライス盤のスピンドル ドライブ、送り軸、および補助システムは、低電圧 VFD を使用して、正確なプログラム可能な速度制御とスムーズな加速プロファイルを可能にします。
• 食品および飲料の加工: ミキサー、押出機、瓶詰めライン、冷凍システムには、信頼性が高く、洗浄可能で、正確に制御されたモーター ドライブが必要です。この分野では、適切なエンクロージャ定格 (IP54 以上) を備えた LV VFD が優れています。

LV VFD を選択する前に理解しておくべき主な仕様

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。

入力電圧と位相

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。

出力定格 (kW または HP)

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。

出力電流定格

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。

スイッチング周波数（キャリア周波数）

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。

保護等級 (IP または NEMA エンクロージャ)

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。

低電圧可変周波数ドライブのサイズを正しく設定する方法

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。

• モーターの銘板データを特定します。 モーターの定格電力 (kW または HP)、電圧、全負荷アンペア (FLA)、速度 (RPM)、周波数 (Hz)、サービスファクターを収集します。これらは、ドライブ選択のベースライン入力です。
• 負荷のタイプを分類します。 可変トルク (ファン、遠心ポンプ)、定トルク (コンベヤ、容積式ポンプ、ミキサー)、または高慣性/高離脱トルク (粉砕機、ホイスト、遠心分離機)。負荷タイプによって、過負荷要件とサイズアップするかどうかが決まります。
• ドライブの出力電流とモーターの FLA を確認します。 ドライブの定格連続出力電流は、モーターの FLA 以上である必要があります。一定のトルク負荷の場合は、150% の過負荷定格のドライブを使用してください。可変トルク負荷の場合、通常は 110% の過負荷容量で十分です。
• ケーブル長のディレーティングを考慮してください。 長いモーター ケーブル (約 50 メートル以上) は、電圧反射と容量性充電電流を増加させます。ドライブの定格を下げるか、出力リアクトルを使用するか、長いケーブルを設置する場合は dV/dt フィルタリングを内蔵したドライブを選択してください。
• 周囲温度のディレーティングを考慮してください。 ほとんどの LV VFD は、周囲 40°C での最大出力に対して定格されています。それを超えると、出力電流の定格を下げる必要があります。通常、定格周囲温度より摂氏 1 度あたり 1 ～ 3% 高くなります。ホット コントロール ルームや屋外エンクロージャでは、より大きなドライブ フレームを選択する必要がある場合があります。
• 該当する場合は、高度のディレーティングを確認します。 空気密度は高度が上がるにつれて減少し、冷却効率が低下します。 1,000 メートル (約 3,300 フィート) を超えると、ほとんどのメーカーはディレーティングを必要とします。技術文書でドライブの高度補正曲線を確認してください。

低電圧 VFD 制御モードの比較

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。

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。

低電圧可変周波数ドライブの設置のベスト プラクティス

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。

接地とシールド

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。

ケーブルの配線と分離

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と出力フィルタ

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。

換気と温度管理

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。

エネルギー節約の可能性: LV VFD 効率の背後にある実際の数値

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。

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。

LV 可変周波数ドライブの一般的な障害、原因、トラブルシューティング

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。

• 過電流 (OC) 障害: ドライブの出力電流がトリップしきい値を超えました。原因には、速すぎる加速ランプ、機械的な詰まりまたは詰まり、不適切なモーター データ入力、または IGBT の故障などが含まれます。まず加速時間が負荷慣性に対して適切であることを確認し、次にモーターパラメータが正しくプログラムされていることを確認します。
• 過電圧 (OV) 障害: DC バス電圧が安全限界を超えました。これはほとんどの場合、モーターの回生エネルギーを放散できない減速時に発生します。解決策には、減速ランプ時間を延長すること、ダイナミック ブレーキ抵抗器を追加すること、または頻繁にブレーキが必要な場合は回生ドライブにアップグレードすることが含まれます。
• 不足電圧 (UV) 障害: DC バス電圧が最小しきい値を下回りました。原因には、電源電圧の低下、入力ヒューズの切れ、電源接続の緩み、または入力整流器の故障などがあります。負荷条件下でドライブ入力端子の供給電圧の品質をチェックします。
• 過熱 (OH) 障害: ドライブのヒートシンクまたは内部温度が制限を超えました。原因には、不十分な換気、冷却ファンの詰まり、周囲温度の高さ、またはディレーティングなしで高いキャリア周波数で動作していることが含まれます。ヒートシンクのフィンを清掃し、エアフローのクリアランスが維持されていることを確認します。
• 地絡 (GF) 故障: モーターの相からグランドまで低インピーダンスの経路が存在します。これは通常、モーター ケーブル絶縁の損傷、モーター巻線の故障、またはケーブル終端での湿気の侵入を示します。モーターケーブルを外し、再接続する前にケーブルとモーター巻線の絶縁とアースの両方をメガーテストしてください。
• 通信障害: ドライブが PLC または SCADA システムとの通信を失いました。フィールドバス ケーブルの接続と終端抵抗を確認し、ネットワーク アドレス設定を確認し、ドライブの通信タイムアウト パラメータが PLC スキャン サイクル タイムより短く設定されていないことを確認してください。

LV VFD 通信と最新の制御システムとの統合

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。

• Modbus RTU/TCP: VFD ブランド全体で最も広くサポートされているプロトコル。シンプルかつ堅牢で、PLC、SCADA システム、ビルディング オートメーション コントローラーと簡単に統合できます。 Modbus TCP over Ethernet は、新しいドライブ プラットフォームでますます一般的になってきています。
• プロフィバス DP: ヨーロッパの産業オートメーション、特にシーメンスまたは他の PROFIBUS 互換 PLC をすでに使用しているアプリケーションで広く使用されています。要求の厳しいプロセス制御アプリケーションに高速で確定的な通信を提供します。
• プロフィネット: PROFIBUS のイーサネットベースの後継製品で、現在はシーメンス TIA ポータル環境の標準となっており、他のメーカーでも採用が増えています。標準プロセスデータ交換とともにリアルタイムモーション制御をサポートします。
• イーサネット/IP: 北米のオートメーションにおける主要な産業用イーサネット プロトコル。Allen-Bradley PLC で使用され、アドオン通信カードを介して幅広い VFD ブランドと互換性があります。
• BACnet MS/TP および BACnet/IP: 特に HVAC およびビルディング オートメーション アプリケーションに使用され、VFD 制御のファンとポンプをビル管理システムに直接統合して、エネルギーの最適化と障害レポートを自動化できます。

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。

LV VFD のブランドとモデルを比較する際に注意すべき点

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。

• 現地でのテクニカル サポートとスペアパーツの入手可能性: ドライブの交換部品やテクニカル サポートへの問い合わせに数週間を要することは、どのような運用環境でも負担となります。特に大規模または重要な設置の場合は、コミットする前にメーカーがローカルまたは地域のサービス インフラストラクチャを備えていることを確認してください。
• 認証とコンプライアンス: 安全機能が必要な場合は、CE マーキング (ヨーロッパ)、UL リスト (北米)、および IEC 61800-5-1 (電気安全)、IEC 61800-3 (EMC)、機能安全規格 (IEC 61800-5-2 / SIL) などの関連規格への準拠を確認してください。
• 統合された安全機能: 最新の LV VFD には、安全トルクオフ (STO)、安全停止 1 (SS1)、安全制限速度 (SLS) などの安全機能が組み込まれることが増えており、多くのアプリケーションで外部安全リレーの必要性がなくなり、機械の安全設計が簡素化されます。
• パラメータのバックアップおよびコピー機能: ドライブのパラメータを PC ツール、メモリ カード、または Bluetooth デバイスに保存できる機能により、複数の同一ドライブのコミッショニングが大幅に高速化され、障害後のドライブの交換が簡素化されます。これは、現場では非常に実用的な価値のある小さな機能です。
• ソフトウェアとエコシステムの統合: ドライブの構成ソフトウェアが既存の PLC プログラミング環境と適切に統合されているかどうか、リモート監視をサポートしているかどうか、予知保全分析のためのクラウド接続が利用可能かどうか、または製品ロードマップに含まれているかどうかを検討してください。

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。