基本原理: 低電圧 VFD がモーターの速度と出力を制御する方法
あ 低電圧可変周波数ドライブ (VFD) は、可変速ドライブ (ASD) とも呼ばれ、供給される電力を管理することで交流 (AC) モーターの回転速度を制御するために不可欠なコンポーネントです。 「低電圧」の指定は通常、最大 690V の標準工業用電圧で動作する VFD に適用されます。基本的な動作は、周波数と電圧を同時に変化させ、電圧対周波数 (V/f) 比を一定に維持することで、モーターの磁束が一定に保たれ、必要なトルクを供給できるようにすることに基づいています。
VFD は、整流セクション (通常はダイオード ブリッジ) を使用して、入力 AC 電力を内部で直流 (DC) に変換します。この DC 電力は、DC リンク コンデンサ バンクによってフィルタリングされ、電力が平滑化されます。最後に、通常は絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) で構成されるインバータ セクションが、パルス幅変調 (PWM) と呼ばれる技術を使用して、DC を正確な可変周波数および可変電圧の AC 波形に変換します。
VFD 導入の実際的なメリットと即時的なコスト削減
VFD を産業用および商業用システムに統合する実際的な利点は、単純な速度制御を超えて広がり、運用コスト、機器の寿命、プロセス品質に直接影響を与えます。これらの利点により、特に流体処理用途において、迅速な投資収益率が実現します。
親和性の法則による大幅なエネルギー削減
ポンプやファンなどの遠心負荷の場合、モーターの消費電力は速度の 3 乗に従います (親和の法則)。これは、速度がわずかに低下すると、消費電力が大幅に低下することを意味します。たとえば、速度を 20% 下げるだけ (80% の速度で動作) と、消費電力はほぼ 50% ($0.8^3 = 0.512$) 削減されます。この比例関係は、HVAC および水処理施設における大幅なエネルギー節約の主な要因です。
強化されたプロセス制御と機器保護
VFD は、モーターをゼロ速度から動作速度までゆっくりと上昇させる「ソフトスタート」機能を提供します。これにより、モーターが即座に最大電圧を受け取る「アクロスザライン」始動に伴う大規模な突入電流と機械的衝撃が排除されます。 VFD は、ギア、ベルト、カップリングなどのコンポーネントの電気的ストレスや機械的磨耗を軽減することで、メンテナンス間隔と被駆動機器の全体的な動作寿命を延長します。さらに、正確な速度制御により、流量、圧力、または温度を正確に制御できるため、製造プロセスにおける製品の品質が向上します。
一般的な低電圧 VFD アプリケーション プロファイル
低電圧 VFD は多用途であり、ほぼすべての産業分野に導入されています。アプリケーションは通常、可変トルク、定トルク、または定電力といった負荷のタイプによって分類されます。
以下の表は、一般的なアプリケーションとその特徴をまとめたものです。
| あpplication Type | 一般的な負荷 | トルクプロファイル | 主なメリット |
| HVAC とポンプ | 遠心ファン、ブロワー、ポンプ | 可変トルク (トルク $\propto$ 速度$^2$) | 最大限のエネルギー節約 (親和性の法則) |
| マテリアルハンドリング | コンベヤー、押出機、ミキサー | 定トルク（トルク一定） | 正確な速度/位置制御 |
| 工作機械 | 旋盤、ミル、スピンドル | 一定出力 (トルクは $\propto$ 速度に反比例) | 広い加工速度範囲 |
VFD の選択と設置に関する実際的な考慮事項
VFD の利点を最大限に発揮するには、適切な選択と設置が重要です。主な考慮事項には、環境条件、モーターの互換性、潜在的な電力品質問題の軽減などが含まれます。
サイジング、エンクロージャ、および環境要因
VFD は、モーターの全負荷電流 (FLA) 定格に合わせて適切なサイズにする必要がありますが、要求の厳しいデューティ サイクルや高い始動トルク要件を持つアプリケーションの場合は、若干大きめのサイズにすることがよくあります。エンクロージャのタイプは、NEMA 1 (汎用、屋内) から NEMA 4X (耐食性、屋外/洗浄) までの環境に適している必要があります。 VFD は熱を発生するため、信頼性の高い動作のためには適切な冷却クリアランスと周囲温度の制御が必須です。
電力品質と高調波の問題を軽減する
VFD の整流セクションは、短く高振幅のパルスで電流を引き込むため、電源ラインに高調波歪みが発生する可能性があります。これは他の敏感な機器に悪影響を与える可能性があります。実際的な緩和戦略には次のようなものがあります。
- あdding AC Line Reactors on the input side to smooth the incoming current and reduce harmonic content.
- 整流器とコンデンサバンクの間に DC リンクチョークを取り付けて高調波を低減し、DC バスの安定性を向上させます。
- 非常に低い全高調波歪み (THD) が重要なアプリケーションにはアクティブ フロントエンド (AFE) VFD または 18 パルス整流器を利用しますが、これらのオプションは初期資本コストを増加させます。
あdditionally, the high-speed switching of the IGBTs can generate voltage spikes, which may damage the motor windings over time. For longer motor lead lengths (typically over 50 feet), the installation of load reactors or output filters is highly recommended to protect the motor insulation.
