周波数変換器用エネルギーフィードバックユニットのサプライヤーは、政策の実施と周波数変換技術の積極的な推進、そして周波数変換器販売業者の強力なプロモーションにより、一部の産業企業が周波数変換器の使用を無意識のうちに省エネ・節電と同一視していることを指摘しています。しかし、実際の使用においては、様々な状況に直面し、多くの企業が周波数変換器が適用されるすべての場所で省エネ・節電が実現できるわけではないことに徐々に気づき始めています。では、このような状況の原因は何でしょうか？また、人々は周波数変換器についてどのような誤解を抱いているのでしょうか？
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、大き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
周波数変換器は電動機に比べて高価であるため、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の場合、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は、負荷、余剰係数、モーターの仕様などの要素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％で動作します。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択すると、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。
安徽省巣湖セメント工場第3石灰石破砕機の供給システムは、1500×12000のプレートフィーダーを採用し、駆動モーターには定格出力45kW、定格電流84.6AのY225M-4交流モーターを使用しています。周波数変換速度調整変換前にテストを行った結果、プレートフィーダーが正常にモーターを駆動する場合、平均三相電流はわずか30Aで、モーター定格電流のわずか35.5%であることがわかりました。投資を節約するために、定格出力電流76A、出力37kWの4極モーターに適したACS601-0060-3周波数変換器を選択し、良好な性能を達成しました。
これら 2 つの例は、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では、実際の動作条件に基づいて周波数変換器の容量を選択することで、投資を大幅に削減できることを示しています。
誤解3：視覚的な力を使って無効電力補償と省エネ効果を計算する
皮相電力を用いて無効電力補償の省エネ効果を計算します。ファンが商用周波数で全負荷運転する場合、モーターの運転電流は289Aです。可変周波数速度制御を使用する場合、50Hzで全負荷運転時の力率は約0.99で、電流は257Aです。これは、周波数変換器の内部フィルタコンデンサが力率を改善するためです。省エネ計算は以下のとおりです。ΔS=UI=×380×(289-257)=21kVA
そのため、省エネ効果は単体機能力の約11％程度になると考えられます。
実際の分析：Sは皮相電力を表し、電圧と電流の積です。電圧が同じ場合、皮相電力の節約率と電流の節約率は同じです。リアクタンスのある回路では、皮相電力は配電系統の最大許容出力容量のみを反映し、モーターの実際の消費電力を反映できません。電動モーターの実際の消費電力は有効電力としてのみ表すことができます。この例では、実際の電流が計算に使用されていますが、有効電力の代わりに皮相電力が計算されています。電動モーターの実際の消費電力は、ファンとその負荷によって決まることが分かっています。力率の増加はファンの負荷に変化をもたらさず、ファンの効率も向上しませんでした。ファンの実際の消費電力は減少しませんでした。力率の増加後、モーターの動作状態は変化せず、モーターの固定子電流は減少せず、モーターの有効電力と無効電力は変化しませんでした。力率が上昇する理由は、周波数変換器の内部フィルタコンデンサが無効電力を生成し、それがモーターに供給されて消費されるためです。力率が上昇すると、周波数変換器の実際の入力電流が減少し、それによって電力網と周波数変換器間の線路損失と変圧器の銅損が減少します。同時に、負荷電流が減少するにつれて、周波数変換器に電力を供給する変圧器、開閉器、接触器、電線などの配電設備は、より多くの負荷を支えることができます。この例のように線路損失と変圧器の銅損の節約を考慮せず、周波数変換器の損失を考慮すると、周波数変換器が50Hzで全負荷で動作しているとき、エネルギーを節約しないだけでなく、電力も消費することを指摘する必要があります。したがって、皮相電力を使用して省エネ効果を計算することは正しくありません。
あるセメント工場の遠心ファン駆動モーターの型式はY280S-4で、定格出力75kW、定格電圧380V、定格電流140Aです。周波数変換速度制御変換前、バルブは全開状態でした。試験の結果、モーター電流は70A、負荷はわずか50%、力率は0.49、有効電力は22.6kW、皮相電力は46.07kVAでした。可変周波数速度制御を適用した後、バルブが全開で定格回転速度で運転しているときの三相電力網の平均電流は37Aであるため、省エネ効果は(70-37)÷70×100%=44.28%と算出されます。この計算は一見合理的に思えますが、実際には皮相電力に基づいて省エネ効果を計算していることになります。工場でさらに検査を行った結果、力率は0.94、有効電力は22.9kW、皮相電力は24.4kVAでした。有効電力の増加は電気を節約するだけでなく、電気を消費することがわかります。有効電力が増加した理由は、線路損失と変圧器の銅損の節約を考慮せずに、周波数変換器の損失を考慮したためです。このエラーの鍵は、力率の上昇が電流降下に与える影響を考慮していないことにあります。デフォルトの力率は変化せず、周波数変換器の省エネ効果を誇張していました。したがって、省エネ効果を計算するときは、皮相電力ではなく有効電力を使用する必要があります。
誤解4：周波数変換器の出力側にコンタクタを設置することはできない
周波数変換器のユーザーマニュアルのほとんどには、周波数変換器の出力側に電磁接触器を設置できないと記載されています。日本の安川電機製周波数変換器のマニュアルには、「出力回路に電磁開閉器や電磁接触器を接続しないでください」と記載されています。
メーカーの規定では、周波数変換器に出力があるときに接触器が動作しないようにしています。周波数変換器が動作中に負荷に接続されると、漏れ電流により過電流保護回路が作動します。したがって、周波数変換器の出力と接触器の動作の間に必要な制御インターロックを追加し、周波数変換器に出力がない場合にのみ接触器が動作することを保証すれば、周波数変換器の出力側に接触器を設置することができます。この方式は、周波数変換器が 1 台しかなくモーターが 2 台（動作中のモーターが 1 台、バックアップ用のモーターが 1 台）しかない状況で非常に重要です。動作中のモーターが故障した場合、周波数変換器をバックアップ モーターに簡単に切り替え、遅延後に周波数変換器を操作して自動的にバックアップ モーターを周波数変換動作にすることができます。また、2 つの電動モーターの相互バックアップも簡単に実現できます。
誤解5：遠心ファンに周波数変換器を使用すると、ファンの調整ドアを完全に置き換えることができます。
周波数変換器を用いて遠心ファンの回転速度を調節し、風量を制御すると、調整弁を用いて風量を制御する場合に比べて大幅な省エネ効果が得られます。しかし、周波数変換器がファンのバルブを完全に代替できない場合があり、設計においては特別な注意が必要です。この問題を説明するために、まず省エネ原理から見ていきましょう。遠心ファンの風量は回転速度の乗に比例し、空気圧は回転速度の2乗に比例し、軸動力は回転速度の3乗に比例します。
ファン一定速度時の風圧風量（HQ）特性。曲線（2）は配管網の風抵抗特性（バルブ全開）を示す。ファンがA点で動作しているとき、出力風量はQ1である。このとき、軸動力N1はQ1とH1の積面積（AH1OQ1）に比例する。風量がQ1からQ2に減少するときに、バルブ調整法を用いると、配管網の抵抗特性は曲線（3）に変化する。システムは元の動作点Aから新しい動作点Bまで動作し、代わりに風圧が上昇する。軸動力N2は面積（BH2OQ2）に比例し、N1とN2はそれほど変わらない。速度制御法を用いると、ファン速度はn1からn2に低下し、風圧風量（HQ）特性は曲線（4）に示される。同じ風量Q2では風圧H3が大幅に減少し、電力N3（面積CH3OQ2に相当）も大幅に減少し、大幅な省エネ効果が見られます。
上記の分析から、バルブを調整して風量を制御すると、風量が減少するにつれて、実際には風圧が上昇することが分かります。また、周波数変換器を使用して風量を制御すると、風量が減少するにつれて、風圧が大幅に低下します。風圧が大幅に低下すると、プロセス要件を満たさなくなる可能性があります。動作点が曲線（1）、曲線（2）、およびH軸で囲まれた領域内にある場合、速度調整に周波数変換器のみに頼ると、プロセス要件を満たせません。プロセス要件を満たすには、バルブ制御と組み合わせる必要があります。ある工場で導入された周波数変換器は、遠心ファンのアプリケーションで、バルブ設計が不十分で、周波数変換器の速度調整のみに依存してファンの動作点を変更したために、大きな問題を抱えていました。速度が高すぎるか、風量が大きすぎます。速度が低下すると、風圧がプロセス要件を満たすことができず、空気を吹き込むことができません。したがって、遠心ファンの速度調整と省エネのために周波数変換器を使用する場合は、風量と風圧の両方の指標を考慮する必要があります。そうしないと、悪影響が生じます。
誤解6：一般的なモーターは、周波数変換器を使用して定格伝送速度よりも低い速度でのみ動作できます。
古典理論では、ユニバーサルモーターの周波数の上限は55Hzとされています。これは、モーターの運転速度を定格速度以上に調整する必要がある場合、ステータ周波数が定格周波数（50Hz）を超えて上昇するためです。この時点で、定トルク制御の原則に従っていると、ステータ電圧が定格電圧を超えて上昇します。そのため、速度範囲が定格速度よりも高い場合、ステータ電圧は定格電圧で一定に保たれる必要があります。この時点で、速度/周波数が上昇すると磁束が減少するため、同じステータ電流でのトルクが低下し、機械特性が柔らかくなり、モーターの過負荷容量が大幅に低下します。
このことから、ユニバーサルモーターの周波数の上限は55Hzであることが前提条件であることがわかります。
1. 固定子電圧は定格電圧を超えることはできません。
2. モーターは定格出力で動作しています。
3. 一定のトルク負荷。
上記の状況では、周波数が 55Hz を超えると、モーターのトルクが低下し、機械特性が柔らかくなり、過負荷容量が低下し、鉄の消耗が急激に増加し、発熱が激しくなることが理論と実験により証明されています。
一般的に、電動モーターの実際の動作条件は、汎用モーターが周波数変換器を介して加速できることを示しています。可変周波数速度を上げることはできますか？どの程度上げることができますか？それは主に電動モーターが引きずる負荷によって決まります。まず、負荷率を決定する必要があります。次に、負荷特性を理解し、負荷の具体的な状況に基づいて計算を行う必要があります。簡単な分析は次のとおりです。
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、産業用モーターは定格出力の50％～60％で運転されます。計算上、モーターの出力が定格出力の70％で固定子電圧が7％上昇すると、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ー速度を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。周波数を上げるとモーターの鉄損は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量と比較すると、鉄損はごくわずかです。そのため、モーター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。
誤解7：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。
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。
周波数変換器の出力パラメータを測定する際にも特別な注意が必要です。周波数変換器の出力は高次高調波を含むPWM波形であり、モータトルクは主に基本波電圧の実効値に依存するため、出力電圧を測定する際には、主に整流電圧計を用いて基本波電圧値を測定します。測定結果はデジタルスペクトルアナライザによる測定結果に最も近く、周波数変換器の出力周波数との直線関係も良好です。測定精度をさらに向上させる必要がある場合は、抵抗容量フィルタを使用できます。デジタルマルチメータは干渉を受けやすく、測定誤差が大きくなります。出力電流は基本波とその他の高次高調波を含む全実効値を測定する必要があり、一般的に使用される計測器は可動コイル型電流計です（モータに負荷がかかっている場合、基本波電流の実効値と全電流の実効値の差は大きくありません）。測定の利便性を考慮して変流器を使用する場合、変流器は低周波数で飽和する可能性があるため、適切な容量の変流器を選択する必要があります。