周波数変換装置関連機器のサプライヤーは、周波数変換技術の向上に伴い、交流モーターの応用範囲がますます広がっていることを改めて認識しています。周波数変換による速度制御は、生産機械の制御精度、生産効率、製品品質の向上に役立ち、生産プロセスの自動化に貢献します。交流駆動システムは優れた制御性能を備え、多くの生産現場において大幅な省エネ効果を発揮します。
周波数変換器の応用
我が国の電動機の電力消費量は、全国の発電量の60％から70％を占めており、ファンとウォーターポンプの年間電力消費量は全国の電力消費量の1/3を占めています。このような状況の主な原因は、ファン、ウォーターポンプなどの機器の従来の速度制御方法が、入口または出口のバッフルとバルブの開度を調整して空気と水の供給量を調整することであるためです。入力電力が大きく、バッフルとバルブの遮断プロセスで大量のエネルギーが消費されます。
ほとんどのファンやウォーターポンプは平坦なトルク負荷であるため、軸出力と回転速度は三乗関係にあります。そのため、ファンやウォーターポンプの回転速度が低下すると、消費電力も大幅に減少します。そのため、大きな省エネ効果が期待できます。最も効果的な省エネ対策は、周波数変換器を用いて流量を調整することです。周波数変換器の適用により、20%～50%の省エネ効果が得られ、その効果は顕著です。
多くの機械では、プロセス要件に応じて電動モーターの速度調整が求められます。従来、交流電動モーターの速度制御は難しく、速度制御性能に対する要求も高かったため、直流速度制御が採用されていました。しかし、直流電動モーターは構造が複雑で体積が大きく、冬季のメンテナンスも困難でした。そのため、可変周波数速度制御技術の成熟に伴い、直流速度制御は交流速度制御に徐々に置き換えられつつあり、様々なプロセス要件を満たすために、定量的かつ直接的なトルク制御が必要となることが多くなりました。
周波数変換器を用いて電動モーターを駆動すると、始動電流が小さいため、ソフトスタートと無段階の速度制御が可能になります。これにより加減速制御が容易になり、モーターの高性能化と大幅な省エネ化が実現します。そのため、周波数変換器は産業生産や日常生活においてますます広く利用されています。
既存の問題と対策
周波数変換器の適用範囲の拡大に伴い、運転中に発生する問題がますます増加しています。主に高次高調波、騒音・振動、負荷整合、発熱などの問題が顕在化しています。本稿では、これらの問題を分析し、対策を提案します。
汎用周波数変換器の主な回路形式は、一般的に整流、反転、フィルタリングの3つの部分で構成されています。整流部は三相ブリッジ無制御整流器、中間フィルタリング部は大容量コンデンサをフィルタとして使用し、インバータ部はPWM波形入力のIGBT三相ブリッジインバータです。出力電圧には基本波以外の高調波が含まれており、通常、低次の高調波はモータ負荷に大きな影響を与え、トルクリップルを引き起こします。また、高次の高調波は周波数変換器の出力ケーブルの漏れ電流を増加させ、モータの出力不足を引き起こします。したがって、周波数変換器が出力する高次および低次の高調波の両方を抑制する必要があります。高調波を抑制するには、以下の方法があります。
1.周波数変換器の電源を増やす
電源装置の内部インピーダンスは、通常、周波数変換器の直流フィルタコンデンサの無効電力のバッファとして機能します。内部インピーダンスが大きいほど、高調波含有量は低くなります。この内部インピーダンスは、変圧器の短絡インピーダンスです。したがって、周波数変換器用電源を選択する際には、短絡インピーダンスの高い変圧器を選択するのが最適です。
2. リアクターを設置する
周波数変換器の入力端子と出力端子の間に、適切なリアクトルを接続するか、高調波フィルタを直列に接続します。フィルタはLC型で構成され、高調波を吸収し、電源または負荷のインピーダンスを高めることで抑制目的を達成します。
3. トランスフォーマーを使った多重操作
汎用周波数変換器は6パルス整流器であり、大きな高調波を生成します。変圧器を多相運転し、位相角差を30°にすると、Y-△変圧器と△-△変圧器を組み合わせることで12パルス効果が得られ、低次高調波電流を低減し、高調波を効果的に抑制できます。
4. 専用の倍音を設定する
周波数変換器と位相を検出するための専用フィルタを設置し、高調波電流と同じ振幅と逆位相の電流を生成し、これを周波数変換器に流すことで高調波電流を効果的に吸収します。