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……
続きを読む高圧可変周波数ドライブ (MV VFD) は、高圧可変周波数ドライブ (AFD)、高圧可変速度ドライブ (ASD)、または単に高圧ドライブとも呼ばれます。供給される電源の周波数と電圧を変化させることによって高圧 AC モーターの速度とトルクを制御するパワー エレクトロニクス システムです。低電圧 VFD が最大 690 V のシステム電圧で動作する場合、中電圧ドライブは約 690 V から 690 V までの範囲をカバーします。 2.3kV~13.8kV 、法外に高い電流レベルが発生するため、低電圧システムを介して電力を供給するのは現実的ではない大きなモーター負荷に対処します。
中電圧機器の必要性を促進する物理的現実は単純です。電力は電圧と電流の積に等しいのです。 480 V で給電される 2 MW のモーター負荷は 2,400 アンペアを超えます。この規模では、ケーブル サイズ、開閉装置の定格、保護装置の要件が管理できなくなります。 4,160 V で給電される同じ 2 MW 負荷は約 280 アンペアを消費します。このレベルは、標準の中電圧開閉装置とケーブルで簡単に処理できるレベルです。 1 ~ 2 MW を超える産業用モーターの場合、中電圧電源は優先事項ではなく実用的なエンジニアリングの必要性であり、MV VFD はこれらの大型機械の可変速動作を実現する制御技術です。
中電圧ドライブの世界的な設置は、石油とガスの圧縮とポンピング、鉱山のコンベヤーとホイストドライブ、上下水のポンプ場、セメントと骨材の加工、パルプと製紙工場、鉄鋼圧延機、大型 HVAC システムなど、エネルギー集約型の産業に集中しています。 MV VFD の経済的ケースは、主に遠心負荷 (ポンプとファン) を支配する親和の法則に基づいています。親和の法則は、シャフト出力が回転速度の 3 乗に応じて変化するというものです。ポンプの速度をわずか 20% 下げるだけで、消費電力が約 50% 削減されます。 49% 、実行時間の長いアプリケーションでは、通常 12 ~ 36 か月以内にドライブへの投資を全額回収できる省エネ効果が得られます。
トポロジに関係なく、すべての中電圧ドライブは同じ基本的な電力変換シーケンスを共有します。このシーケンスを理解することは、さまざまなトポロジがエンジニアリング上のトレードオフを引き起こす理由を評価するための基礎となります。
入力電源 (通常は施設の配電バスからの中電圧三相 AC) はドライブに入り、まず整流段によって DC に変換されます。この DC 中間状態により、グリッド側コンバータがモータ側コンバータから切り離され、出力周波数と電圧を入力電源周波数とは独立して変更できるようになります。次に、インバーター段が、任意の動作点でモーターに必要な周波数と電圧で DC を三相 AC に再変換します。インバータ スイッチ (ほとんどの MV ドライブ トポロジでは絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT)) は、ターゲット周波数の正弦波電圧に近似するように出力波形を整形するパルス幅変調 (PWM) アルゴリズムによって制御され、1 秒あたり数千回オン/オフします。
中電圧では、個々のパワー半導体スイッチが故障することなく端子間のシステム全体の電圧に耐えることができないという課題があります。 1,700 V 定格の単一 IGBT は、4,160 V バスを直接切り替えることはできません。 MV ドライブ トポロジは、デバイスを直列にスタックする、マルチレベル回路構成を使用する、または複数の低電圧コンバータ セルをカスケード接続するなど、いくつかの異なる方法でこの制約に対処します。これらの異なるアプローチにより、以下に説明する個別のトポロジ ファミリが生成されます。
中電圧ドライブ市場には、単一の支配的なトポロジはありません。主要な設計はそれぞれ、出力波形の品質、高調波性能、コンポーネントの定格、モーターの互換性、およびシステムコストの間のさまざまなエンジニアリング上の妥協点を表しています。特定のアプリケーションに適切なトポロジを選択することは、MV ドライブ プロジェクトにおけるエンジニアリング上の最も重要な決定の 1 つです。
3 レベルの NPC トポロジは 1980 年代後半から市販されており、現在でも市場で最も広く導入されているトポロジの 1 つです。基本的なインバータの単純な 2 レベル (オン/オフ) スイッチングではなく、クランプ ダイオードを備えたコンデンサ分割 DC リンクを使用して、出力に 3 つの異なる電圧レベルを生成します。 3 レベル出力は、2 レベル設計よりも大幅に優れた出力波形品質を生成し、モーター巻線の dv/dt ストレスを軽減し、高調波歪みを低減します。 NPC トポロジは、ABB (ACS1000、ACS6080) および他のいくつかの主要メーカーから入手可能であり、通常、定格電圧は 2.3 kV ~ 6.9 kV です。主な制限は、アンバランスな動作条件中にクランプ ダイオードが DC リンク コンデンサに非対称な負荷を生成することであり、慎重な設計管理が必要です。
カスケード H ブリッジ トポロジ (マルチレベル セル テクノロジまたは直列セル テクノロジとも呼ばれます) は、各出力位相に複数の低電圧 H ブリッジ インバータ セルを直列にカスケード接続することによって出力波形を構築します。各セルは従来の低電圧レベル (大量生産の LV ドライブ業界で使用されているものと同じ、実証済みの 1,700 V 定格 IGBT を使用) で動作し、直列接続されたセルの結合出力によって必要な中電圧出力が生成されます。十分な数のセルを直列に接続すると、出力波形はほぼ完璧な正弦波に近づき、高調波歪みが非常に低くなり、モーター絶縁にかかる dv/dt ストレスが非常に低くなります。 CHB トポロジは、Benshaw (MVH2 シリーズ)、Siemens (SINAMICS GM150) などで使用されています。その主な利点は、固有の高調波性能、標準的な非インバータ負荷モーターとの互換性、およびモジュール式セル交換機能です。つまり、インバータ アセンブリ全体を交換することなく故障したセルを個別に交換できるため、ダウンタイムが最小限に抑えられます。また、各セルバンクに絶縁電源を供給するために多巻線入力トランスも必要です。
モジュラー マルチレベル コンバータは、マルチレベルの概念をさらに拡張した新しいトポロジで、直列に接続された多数の同一のハーフブリッジまたはフルブリッジ サブモジュールを使用してコンバータの各アームを形成します。 MMC ドライブは、高調波成分が非常に少ない非常に高品質の出力波形を生成し、非常に高い電力レベルまで拡張可能です。このトポロジは 10 MW を超えるアプリケーションで商業的な注目を集めており、ABB の ACS6080 および同様の高出力プラットフォームで使用されています。その複雑さとコンデンサベースのサブモジュールの数の多さにより、単純なトポロジーよりも洗練された制御アルゴリズムとより広範な監視システムが必要となるため、歴史的にその使用は大規模かつ最高価値のアプリケーションに限定されてきました。
電流源インバータ ドライブは、DC リンク エネルギー蓄積要素としてコンデンサ バンクではなく大きな DC インダクタを使用し、インバータに電圧源ではなく電流源の特性を与えます。 CSI ドライブは電流制御された出力波形を生成し、インダクタ ベースの DC リンクがコンデンサ ベースの VSI よりも自然に双方向のエネルギー フローを処理するため、同期モータ ドライブや回生ブレーキが必要なアプリケーションに特に適しています。 PWM CSI からの出力波形の品質は良好ですが、通常、高周波成分を軽減するためにモーター端子にコンデンサ フィルターが必要です。ロックウェル・オートメーションの PowerFlex 7000 は、現在使用されている CSI ベースの MV ドライブとして最も広く知られているものの 1 つです。
負荷整流インバーターは、定格 10 ~ 20 MW を超えるコンプレッサー、ポンプ、ファンなどの非常に高出力の大型同期モーター ドライブに使用される成熟したテクノロジーです。 LCI ドライブは、スイッチング デバイスとして IGBT ではなくサイリスタ (SCR) を使用します。サイリスタは、ゲート ターンオフ回路ではなく、同期モータの逆起電力によって転流オフされます。そのため、転流電圧を提供するには、負荷 (モータ) が最小速度を超えて動作する同期機である必要があります。 LCI ドライブは非常に堅牢で、非常に高い出力能力を備えていますが、比較的高い高調波成分を生成し、高出力レベルの同期モーター負荷に限定されます。これらは、大型 LNG コンプレッサー トレイン、パイプライン ポンプ ステーション、大型産業用ファンにとって主力技術です。
| トポロジー | デバイスの切り替え | 出力品質 | モーターの互換性 | 最適な用途 |
|---|---|---|---|---|
| 3レベルのNPC | IGBT | 良い | 標準MVモータ | 一般産業用、2.3~6.9kV |
| カスケード H ブリッジ (CHB) | 低電圧IGBTセル | 良好(正弦波に近い) | 標準非インバータモーター | 改造、ポンプ、ファン、コンプレッサー |
| モジュラーマルチレベル (MMC) | IGBTサブモジュール | 素晴らしい | 標準MVモータ | 高出力 (10 MW)、スケーラブルなアプリケーション |
| PWM電流源(CSI) | SGCT / IGCT | 良い (with filter) | 誘導電動機および同期電動機 | 回生負荷、同期電動機 |
| 負荷整流型インバーター (LCI) | サイリスタ(SCR) | 中程度(高調波) | 同期モーターのみ | 非常に高い出力 (10 ~ 100 MW )、コンプレッサー |
ほとんどの MV VFD 設置における主な経済的推進力は、遠心ポンプとファンの負荷にかかるエネルギーコストの削減です。親和の法則 (遠心機を支配する基本的な流体力学の関係) では、流れはシャフト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。この三次関係により、エネルギー管理戦略として速度制御が不釣り合いに強力になります。
実行時間のかなりの部分でポンプを最高速度の 80% で動作させるプロセスでは、ドライブは最高速度で消費される電力の約 51% を消費します。これは、20% の速度低下からほぼ半分の削減になります。 2 MW のポンプ モーターを工業用電気料金で年間 6,000 時間低速で運転すると、年間のエネルギー節約効果は数十万ドルを超える可能性があります。設置された MV VFD の合計コストに対して、通常は次の範囲になります。 kW あたり 150 ~ 500 ドル 電圧クラスとトポロジーに応じてモーター定格が異なるため、稼働時間の長い遠心アプリケーションでは 1 ~ 3 年の投資回収期間が達成可能です。
MV VFD は、遠心力による負荷の節約に加えて、さらなるエネルギーと運用上の利点をもたらします。ソフトスタート - ライン全体に全電圧を印加するのではなく、モータをゼロ速度から徐々に加速する - は、アクロスザライン始動中に発生する高い突入電流 (通常、全負荷電流の 6 ~ 8 倍) を排除します。これにより、ドライブトレインへの機械的衝撃が排除され、モーター巻線への熱応力が軽減され、大型モーターの始動に伴う配電バスの電圧降下が防止されます。また、正確な速度制御によりプロセスの最適化が可能になり、材料の無駄を削減し、製品の品質を向上させ、下流の機械装置の摩耗を軽減することができます。これは、電気コストの削減だけを超えた財務上のメリットとなります。
中電圧タイプを含む可変周波数ドライブは非線形負荷です。電源から電流をスムーズにではなくパルス的に引き出し、電力システムに流れる高調波電流を生成します。これらの高調波電流は配電バスに電圧歪みを引き起こし、高感度の計装に干渉したり、基本周波数動作用に設計された変圧器やケーブルを過熱させたり、保護装置の迷惑なトリップを引き起こす可能性があります。高調波歪みの管理は、MV VFD の設置に必須の要素であり、オプションの改良ではありません。
高調波性能における最も重要な差別化要因は、ドライブ トポロジの整流器設計とパルス数です。標準的な 6 パルス整流器 (最も単純で最も一般的な設計) は、主要成分として 5 次、7 次、11 次、および 13 次の高調波電流を生成します。 12 パルスおよび 18 パルスの整流器構成により、低次の高調波ペアがキャンセルされ、全高調波歪み (THD) が大幅に低減されます。カスケード H ブリッジ トポロジは、各セル バンクに位相シフトされた電源を供給する多巻線入力トランスのおかげで、セルの数に応じて 18 ~ 36 以上の実効パルス数を本質的に達成し、フィルタリング ハードウェアを追加しなくても非常に低い入力高調波歪みを生成します。北米の産業用電力システムのベンチマーク高調波仕様である IEEE 519 規格は、共通結合点での電流 THD と個々の高調波電圧歪みの両方に制限を設定しています。ほとんどの MV VFD 調達仕様では、供給の最低条件として IEEE 519 への準拠が必要です。
選択したドライブ トポロジの固有の高調波パフォーマンスがプロジェクトの電力品質要件を満たさない場合は、追加の緩和ハードウェアを利用できます。パッシブ高調波フィルタ (ドライブの入力バスに設置された同調 LC 回路) は、分配システムに入る前に特定の高調波周波数を吸収します。アクティブ フロントエンド (AFE) 整流段は、ドライブの入力側で PWM 制御のスイッチングを使用して、ほぼ正弦波の入力電流を引き出し、パッシブ フィルターに伴う共振リスクなしで非常に低い THD を実現します。入力ラインリアクトルは、全高調波フィルタよりも低コストで部分高調波の減衰を実現しますが、ほとんどの設置ではそれ自体では IEEE 519 準拠を達成できません。高調波緩和戦略は、変圧器の定格、ドライブ入力パネルの設計、およびシステム全体のコストに影響を与えるため、後付けではなく、プロジェクトのエンジニアリング段階で決定する必要があります。
すべてのモーターとケーブル構成が MV VFD 動作と同等に互換性があるわけではありません。ドライブからの出力電圧波形は、たとえ高品質のマルチレベル設計であっても、純粋な正弦波ではなく、出力内の高周波スイッチング成分により、アクロス・ザ・ラインのモーター動作では発生しない問題が発生する可能性があります。
初期の MV ドライブ設計、特に単純な 2 レベル スイッチング トポロジでは、モーター端子に急峻な電圧パルスが生成され、急速な絶縁劣化やモーターの早期故障が発生しました。これにより、低電圧 VFD アプリケーションでは強化絶縁システムを備えた「インバーターデューティ」モーターが必要になりました。マルチレベル MV ドライブ トポロジ、特に CHB および NPC 設計の主な利点の 1 つは、出力波形の品質が高いため、モータ端子での dv/dt (電圧上昇率) とピーク電圧ストレスが大幅に低減され、ドライブ動作用に特別に定格されていない標準の中電圧モータと互換性があることです。ただし、ドライブとモーター間のケーブル長は依然として重要な変数です。長いモーターケーブルは伝送線として機能し、モーター端子でのピーク電圧のほぼ 2 倍となる電圧反射を引き起こす可能性があります。長いケーブル配線を備えた設置の場合、ドライブ出力に dv/dt フィルターまたはサイン フィルターを設置するのが標準的な保護手段です。
VFD の PWM スイッチングにより、コモンモード電圧 (グランドを基準にして 3 つの出力相すべてに同時に現れる電圧) が生成され、電流がモータ シャフト ベアリングを通ってグランドに流れる可能性があります。これらの軸受電流は、放電加工 (EDM) によって軸受軌道面を侵食し、騒音を発生する孔食を発生させ、最終的には軸受の故障を引き起こします。シャフト接地リング、絶縁ベアリング、コモンモード フィルターが標準的な緩和策です。大型の中電圧モーターの場合、リスクは十分に理解されており、保護対策がドライブまたはモーターの仕様に日常的に組み込まれていますが、それらは不必要であると想定するのではなく、明示的に対処する必要があります。
高圧可変周波数ドライブ は幅広い業界に導入されていますが、特定のアプリケーション カテゴリは、大きなモータ定格、長い年間稼働時間、および速度制御の価値を高める大きなプロセス変動性を兼ね備えているため、最高の投資収益率を実現します。
中電圧可変周波数ドライブはプラグ アンド プレイ デバイスではありません。 MV ドライブの設置と試運転に必要な機械、電気、およびシステムの統合作業は、プロジェクトの総コストのかなりの部分を占めており、適切に計画されていない場合、ほとんどのプロジェクトの問題が発生します。正しい設置に何が必要かを理解することで、試運転の遅れ、性能不足、初期の機器の問題を引き起こすよくある間違いを防ぐことができます。
MV VFD エンクロージャは大きくて重いため、入力変圧器を備えた一般的な 2 MW CHB ドライブの重量は 5,000 ~ 15,000 kg 以上になる場合があり、ドライブの指定された動作環境を維持するには、強化床、制御された温度と湿度、および強制換気または空調を備えた専用の電気室が必要です。ほとんどのメーカーは、最大周囲温度 40°C、最大相対湿度 95% (結露なし) を指定しています。入力トランスがドライブエンクロージャから分離されている場合は、地域の電気規則に従って独自のスペース割り当てと防火隔離が必要です。アクセス ドアは、隣接する機器を大規模に分解することなくメンテナンスができるように、最大の交換可能なアセンブリ (通常は完全な電源セルまたは変圧器巻線) に合わせたサイズにする必要があります。
電源変圧器とドライブ入力の間、およびドライブ出力とモーターの間の中電圧ケーブルは、システム電圧クラス、連続電流定格、設置条件 (電線管、トレイ、直接埋設)、および配線の長さに合わせて指定する必要があります。上で述べたように、長いモーター ケーブル配線はモーター端子での反射波電圧増幅を引き起こす可能性があります。ほとんどのメーカーは、出力フィルターなしで動作する場合の最大ケーブル長を指定しており、ドライブの選択を最終的に決定する前に、これらの制限をプロジェクト レイアウト内の実際のケーブル配線に対して検証する必要があります。すべての MV ケーブル配線には、適用される電気規定およびメーカーの設置要件に従って、ケーブルのシールド、適切な終端、および接地の実施が必要です。
MV ドライブは常に、デジタル通信を通じてプラント制御システムに統合されています。Modbus RTU、Profibus、Profinet、EtherNet/IP、DeviceNet、およびその他の産業用プロトコルは、最新のドライブ プラットフォームでサポートされています。制御システムの統合は、ドライブが試運転される前に設計する必要があります。これには、すべての速度基準ソース、すべてのドライブ イネーブルおよび障害信号、プラントの DCS または SCADA システムによって監視されるすべてのプロセス フィードバック変数 (速度、電流、電力、障害コード)、およびプロセス安全システムからドライブをトリップする必要があるすべての保護インターロックの定義が含まれます。完全にテストされ文書化された制御システム インターフェイスを使用せずに試運転することは、大規模プロジェクトでドライブの起動が遅れる最も一般的な原因の 1 つです。
MV ドライブの試運転は、ドライブ プラットフォームに関する特別なトレーニングを受け、適切な個人用保護具と中電圧電気作業の安全な作業手順を備えた資格のあるエンジニアが実行する必要があります。試運転シーケンスには、すべてのケーブルとモーターの通電前の絶縁抵抗テスト、制御配線の連続性と極性の検証、ドライブ入力および出力での正しい相回転の確認、モーターの銘板データとアプリケーションの速度、トルク、および保護要件に一致するパラメーターのプログラミング、負荷を接続する前の低速での無負荷回転チェック、および速度調整、電流制限、および保護機能の動作を検証する全速度範囲にわたる負荷テストが含まれます。出荷前にメーカーの施設でドライブの工場受け入れテスト (FAT) を行うことは、大規模な MV ドライブ プロジェクトの標準的な手法であり、機器が現場に到着する前に完全なパラメータ セットと制御システム インターフェイスを検証する機会を提供します。
中電圧ドライブは、電力定格、トポロジー、アクセサリに応じて、数十万ドルから数百万ドルの設備投資を要します。購入前に仕様を正しく把握することで、投資が保護され、ドライブがその動作寿命にわたって必要に応じて動作することが保証されます。注文書を発行する前に、次の仕様を書面で確認する必要があります。