2つの同一モーターが50Hzの電力周波数で動作し、一方は周波数変換器を使用し、もう一方は使用していない場合、速度とトルクはどちらもモーターの定格状態です。周波数変換器は電力を節約できますか？どの程度節約できますか？
回答：この場合、周波数変換器は力率を改善することしかできず、電力を節約することはできません。
1. 周波数変換はどこでも電力を節約できるわけではなく、周波数変換によって必ずしも電力を節約できるわけではない場合も多くあります。
2. 周波数変換器自体も電子回路であるため、電力を消費します（定格電力の約2～5％）
3. 周波数変換器は商用周波数で動作し、省エネ機能を備えていることは事実です。しかし、その前提条件は次のとおりです。
まず、デバイス自体に省エネ機能（ソフトウェアサポート）があり、システム全体またはプロセス全体の要件に適合しています。
2つ目は、長期にわたる継続的な運用です。
それに、電気を節約できるかどうかは関係なく、意味がありません。周波数変換器が何の条件もなく省エネ運転をすると言われたら、それは誇張か商業的な思惑です。全容を知れば、賢く利用して自分の役に立てるでしょう。正しく使用するために、必ず使用状況と条件に注意してください。そうでなければ、盲目的に従い、簡単に信じ、騙されてしまうでしょう。
周波数コンバーターを使用する際に、次のような誤解を抱くことがよくあります。
誤解1：周波数変換器を使用すると電気代を節約できる
一部の文献では、周波数変換器は省エネ制御製品であると主張しており、周波数変換器を使用すると電力を節約できるという印象を与えています。
実際、周波数変換器が電力を節約できるのは、電動モーターの速度を制御できるためです。周波数変換器が省エネ制御製品であるならば、すべての速度制御装置も省エネ制御製品とみなすことができます。周波数変換器は、他の速度制御装置と比較して、効率と力率がわずかに優れています。
周波数変換器が省電力を実現できるかどうかは、負荷の速度制御特性によって決まります。遠心ファンや遠心ポンプなどの負荷の場合、トルクは速度の2乗に比例し、電力は速度の3乗に比例します。元のバルブ制御流量を使用し、全負荷で動作していない限り、速度制御運転に変更することで省エネを実現できます。速度が元の80％に低下すると、電力は元の51.2％にしかなりません。このような負荷に周波数変換器を適用すると、最も顕著な省エネ効果があることがわかります。ルーツブロワーなどの負荷の場合、トルクは速度に依存せず、定トルク負荷です。ベントバルブを使用して余分な空気量を放出し、風量を調整するという元の方法を速度制御運転に変更すると、省エネも実現できます。速度が元の値の80％に低下すると、電力は元の値の80％に達します。省エネ効果は、遠心ファンや遠心ポンプへの応用に比べるとはるかに小さいです。定電力負荷の場合、電力は速度に依存しません。セメント工場における定電力負荷、例えばバッチングベルトスケールは、特定の流動条件下で材料層が厚い場合はベルト速度を低下させ、材料層が薄い場合はベルト速度を上昇させます。このような負荷に周波数変換器を適用しても、電力を節約することはできません。
DC速度制御システムと比較すると、DCモーターはACモーターよりも効率と力率が高くなっています。デジタルDC速度制御器の効率は周波数変換器と同等であり、周波数変換器よりもわずかに高い場合もあります。したがって、AC非同期モーターと周波数変換器の使用は、理論的にも実用的にも、DCモーターとDC制御器の使用よりも多くの電力を節約できると主張するのは誤りです。
誤解2：周波数変換器の容量選択は、モーターの定格電力に基づいて行われます
周波数変換器の価格は電動機に比べて比較的高価であるため、安全で信頼性の高い動作を確保しながら周波数変換器の容量を合理的に削減することは非常に有意義です。
周波数変換器の電力とは、それが適している 4 極 AC 非同期モーターの電力を指します。
同じ容量のモーターでも極数が異なるため、モーターの定格電流は異なります。モーターの極数が増えると、モーターの定格電流も増加します。周波数変換器の容量選定は、モーターの定格出力に基づいて行うことはできません。また、もともと周波数変換器を使用していなかった改修プロジェクトでは、周波数変換器の容量選定は、モーターの定格電流に基づいて行うことはできません。これは、電動モーターの容量選定において、最大負荷、余剰係数、モーターの仕様などを考慮する必要があるためです。多くの場合、余剰は大きく、産業用モーターは定格負荷の50％～60％で運転することが多いです。周波数変換器の容量をモーターの定格電流に基づいて選定すると、余裕が大きすぎて経済的な無駄が生じ、結果として信頼性も向上しません。
かご形モータの場合、周波数変換器の容量選定は、周波数変換器の定格電流がモータの最大通常運転電流の1.1倍以上であることを原則とする必要があります。これにより、コスト削減効果を最大限に高めることができます。重負荷始動、高温環境、巻線モータ、同期モータなどの条件では、周波数変換器の容量を適切に増加させる必要があります。
最初から周波数変換器を使用する設計の場合、モータの定格電流に基づいて周波数変換器の容量を選択するのは理にかなっています。これは、現時点では実際の運転条件に基づいて周波数変換器の容量を選定できないためです。もちろん、投資を抑えるために、周波数変換器の容量を最初は不確定なままにし、設備を一定期間運転させた後に実際の電流に基づいて容量を選定する場合もあります。
内モンゴルのあるセメント会社の直径2.4m×13mのセメントミルの二次粉砕システムには、国産のN-1500 O-Sepa高効率粉体選別機が1台設置されており、出力132kWのY2-315M-4型電動モーターが搭載されています。しかし、出力160kWの4極モーターに適したFRN160-P9S-4E周波数変換器が選択されました。運転開始後の最大動作周波数は48Hzで、電流はわずか180Aで、モーター定格電流の70%未満です。モーター自体にかなりの余剰容量があり、周波数変換器の仕様は駆動モーターの仕様より1段階大きいため、無駄な無駄が発生し、信頼性が向上しません。
The feeding system of the No. 3 limestone crusher at Anhui Chaohu Cement Plant adopts a 1500 × 12000 plate feeder, and the driving motor uses a Y225M-4 AC motor with a rated power of 45kW and a rated current of 84.6A. Before the frequency conversion speed regulation transformation, it was found through testing that when the plate feeder drives the motor normally, the average three-phase current is only 30A, which is only 35.5% of the rated current of the motor. In order to save investment, ACS601-0060-3 frequency converter was selected, which has a rated output current of 76A and is suitable for 4-pole motors with a power of 37kW, achieving good performance.
These two examples illustrate that for renovation projects that did not originally use frequency converters, selecting the capacity of the frequency converter based on actual operating conditions can significantly reduce investment.
Misconception 3: General motors can only operate at a reduced speed using frequency converters below their rated transmission speed
The classical theory holds that the upper limit of the frequency of a universal motor is 55Hz. This is because when the motor speed needs to be adjusted above the rated speed for operation, the stator frequency will increase above the rated frequency (50Hz). At this point, if the constant torque principle is still followed for control, the stator voltage will increase beyond the rated voltage. So, when the speed range is higher than the rated speed, the stator voltage must be kept constant at the rated voltage. At this point, as the speed/frequency increases, the magnetic flux will decrease, resulting in a decrease in torque at the same stator current, softening of mechanical characteristics, and a significant reduction in the overload capacity of the motor.
From this, it can be seen that the upper limit of the frequency of a universal motor is 55Hz, which is a prerequisite:
1. The stator voltage cannot exceed the rated voltage;
2. The motor is operating at rated power;
3. Constant torque load.
In the above situation, theory and experiments have proven that if the frequency exceeds 55Hz, the motor torque will decrease, mechanical characteristics will become softer, overload capacity will decrease, iron consumption will increase rapidly, and heating will be severe.
The author believes that the actual operating conditions of electric motors indicate that general-purpose motors can be accelerated through frequency converters. Can variable frequency speed be increased? How much can be raised? It is mainly determined by the load dragged by the electric motor. Firstly, it is necessary to determine what the load rate is? Secondly, it is necessary to understand the load characteristics and make calculations based on the specific situation of the load. A brief analysis is as follows:
1. 実際、380Vユニバーサルモーターの場合、ステータ電圧が定格電圧の10%を超えても、モーターの絶縁や寿命に影響を与えることなく、長時間運転できます。ステータ電圧が上昇し、トルクが大幅に増加し、ステータ電流が減少し、巻線温度が低下します。
2.電動機の負荷率は通常50％～60％である。
一般的に、産業用モータは定格電力の50％～60％で運転されます。計算上、モータの出力電力が定格電力の70％で、固定子電圧が7％増加すると、固定子電流は26.4％減少します。このとき、一定トルク制御を使用し、周波数変換器を使用してモータ速度を20％増加させても、固定子電流は増加しないだけでなく、減少します。モータの鉄損は周波数の上昇後に急激に増加しますが、固定子電流の減少によって減少する熱と比較すると、鉄損による発熱はごくわずかです。そのため、モータ巻線の温度も大幅に低下します。
3. 様々な負荷特性がある
電動モータ駆動システムは負荷に作用しますが、負荷によって機械的特性が異なります。電動モータは加速後の負荷の機械的特性要件を満たす必要があります。計算によると、異なる負荷率（k）における定トルク負荷の最大許容動作周波数（fmax）は負荷率に反比例し、fmax = fe / kとなります。ここで、feは定格電力周波数です。定電力負荷の場合、一般的なモータの最大許容動作周波数は主にモータのロータとシャフトの機械的強度によって制限されます。筆者は、一般的に100Hz以内に制限することが望ましいと考えています。
アプリケーション例:
ある工場のチェーンバケットコンベアは定トルク負荷であり、生産量の増加に伴い、モーターの回転速度を20％上げる必要があります。モーターの型式はY180L-6、定格出力15kW、定格電圧380V、定格電流31.6A、定格回転速度980r/min、効率89.5％、力率0.81、動作電流18～20A、通常時の最大動作電力7.5kW、負荷率50％です。CIMR-G5A4015周波数変換器を取り付けた後、動作周波数は60Hz、速度は20％増加し、周波数変換器の最大出力電圧は410Vに設定され、モーターの動作電流は12～15Aで、約30％減少し、モーター巻線の温度が大幅に低下しました。
誤解4：周波数変換器の固有の特性を無視する
周波数変換器のデバッグ作業は通常、販売店が行うため、問題は発生しません。周波数変換器の設置は比較的簡単で、通常はユーザーが行います。しかし、一部のユーザーは周波数変換器の取扱説明書をよく読まず、施工に関する技術要件を厳密に遵守せず、周波数変換器自体の特性を無視し、一般的な電気部品と同一視し、思い込みや経験に基づいて行動することで、故障や事故の潜在的な危険を招いています。
周波数変換器の取扱説明書によると、モーターに接続するケーブルはシールドケーブルまたは外装ケーブルを使用し、できれば金属管に敷設する必要があります。切断したケーブルの端部は可能な限りきれいにし、シールドされていない部分は可能な限り短くし、ケーブル長は一定距離（通常50m）を超えないようにする必要があります。周波数変換器とモーター間の配線距離が長い場合、ケーブルからの高調波漏れ電流が周波数変換器および周囲の機器に悪影響を及ぼします。周波数変換器によって制御されるモーターから戻される接地線は、周波数変換器の対応する接地端子に直接接続する必要があります。周波数変換器の接地線は、溶接機や動力機器と共用せず、可能な限り短くする必要があります。周波数変換器によって発生する漏れ電流のため、接地点から離れすぎると、接地端子の電位が不安定になります。周波数変換器の接地線の最小断面積は、電源ケーブルの断面積以上である必要があります。干渉による誤動作を防ぐため、制御ケーブルはツイストシールド線または二重シールド線を使用する必要があります。同時に、シールドされたネットワークケーブルが他の信号線や機器の筐体と接触しないように注意し、絶縁テープで包んでください。ノイズの影響を受けないように、制御ケーブルの長さは50mを超えてはなりません。制御ケーブルとモーターケーブルは、別々のケーブルトレイを使用して別々に配線し、できるだけ離してください。交差させる必要がある場合は、垂直に交差させてください。同じパイプラインやケーブルトレイに入れないでください。ただし、一部のユーザーはケーブルを敷設する際に上記の要件を厳密に遵守しなかったため、個別のデバッグ時には機器が正常に動作しても、通常の製造時に深刻な干渉を引き起こし、動作不能になるという問題がありました。
セメント工場の二次空気温度計が突然異常な値を示した場合、指示値が大幅に低下し、大きく変動します。それまでは正常に動作していました。熱電対、温度トランスミッター、二次計器を点検しましたが、問題は見つかりませんでした。何が関係しているのでしょうか？計器を別の測定ポイントに移動したところ、完全に正常に動作しました。しかし、他の測定ポイントの同様の計器をここで交換したところ、同じ現象も発生しました。その後、火格子冷却器の3番冷却ファンのモーターに新しい周波数変換器が取り付けられていることが判明し、周波数変換器を使用した後に初めて二次空気温度計が異常な値を示しました。周波数変換器を停止し、すぐに二次空気温度計を正常に戻します。周波数変換器を再起動すると、二次空気温度計は再び異常な値を示しました。数回繰り返しテストを行った後、周波数変換器からの干渉が二次空気温度計の異常表示の直接的な原因であることが判明しました。ファンは遠心換気装置で、当初はバルブで風量を調整していましたが、後に可変周波数速度制御で風量を調整できるようになりました。現場は粉塵が多く、環境が厳しいため、MCC（モーターコントロールセンター）制御室に周波数変換器を設置しています。工事の便宜上、周波数変換器はファンのメインコンタクタの下側に接続され、周波数変換器の出力ケーブルはファンモーターの電源ケーブルを使用しています。ファンモーターの電源ケーブルは、PVC絶縁非鋼装甲シースケーブルで、二次空気温度計信号ケーブルと平行に、同じケーブルトレンチの異なるブリッジ層に敷設されています。周波数変換器の出力ケーブルが装甲ケーブルを使用していないか、鉄管を通って敷設されていないために干渉現象が発生していることがわかります。この教訓は、もともと周波数変換器を使用していなかった改修プロジェクトには特に注意を払う必要があります。
周波数変換器の日常的なメンテナンスにも特別な注意が必要です。電気技師の中には、故障を検知するとすぐに周波数変換器をメンテナンスのために起動し、トリップさせる人がいます。これは非常に危険であり、感電事故につながる可能性があります。これは、周波数変換器が動作していない、または電源が遮断されている場合でも、コンデンサの存在により、周波数変換器の電源入力線、DC端子、およびモーター端子に電圧が残っている可能性があるためです。スイッチを切断した後、作業を開始する前に、周波数変換器が完全に放電するまで数分間待つ必要があります。電気技師の中には、システムのトリップに気付くと、モーターの焼損を確認するために、振動台を使用して可変周波数駆動システムで駆動されているモーターの絶縁テストをすぐに実施する人もいます。これも非常に危険で、周波数変換器の焼損につながる可能性があります。したがって、モーターと周波数変換器間のケーブルを取り外す前に、モーターや周波数変換器に既に接続されているケーブルの絶縁テストを実施してはなりません。