工業用スペースをうろうろしたことがあるなら、設計上の半分の負荷しか加えていないにもかかわらず、大きなモーターが 50 Hz または 60 Hz の電力で一日中稼働しているのを見たことがあるでしょう。 3 相可変周波数ドライブ (VFD) システムのサプライヤーである私は、「特に部分負荷のみが動作している場合に、なぜ古い固定速度モーター セットアップを VFD に交換する必要があるのですか?」という質問をよく受けます。簡単に言うと、古い固定速度モーターはフル稼働していないときに大量のエネルギーを無駄にします。VFD はそれを解決します。それがどのように機能するのかを詳しく説明しましょう。堅苦しいエンジニアリング専門用語は使わず、私が長年店舗、工場、小規模製造チームと協力して学んだ現実世界のことだけを取り上げます。
まず、退屈な基本である固定速度モーターについて話しましょう。ほとんどの産業用モーターは、電力線の周波数に基づいて単一の一定速度で動作するように設計されています。 50Hz を使用する地域 (ヨーロッパ、アジア、アフリカのほとんどの地域など) では、4 極モーターの場合は 1,500 RPM、60Hz 地域 (北米、南米の一部) では 1,800 RPM になります。問題？ほとんどのモーター負荷は一定ではありません。部品を積み込むときにのみ全速力で動作するベルトコンベアや、タンクが満杯になると速度が低下するポンプについて考えてみましょう。これらのシステムは通常、速度を戻すためにスロットル バルブ、ダンパー、さらには機械式クラッチを使用します。しかし、その追加のハードウェアはエネルギーを無駄にするだけです。バルブで流れを制限するたびに、余分な摩擦、熱、無駄な電力が発生します。
でもVFD？電源周波数を微調整して、モーターが必要とする周波数に正確に一致させます。したがって、モーターがフルスピードの半分だけを必要とする場合、VFD は周波数を下げ、無駄なスロットリングを行わずにモーターの速度を下げます。しかし、ここで人々が驚くのは、モーターが全負荷ではなく部分負荷で動作している場合、この効率の向上がはるかに大きくなるということです。その理由を説明しましょう。
モーターには負荷曲線と呼ばれるものがあり、負荷が変化すると効率がどのように変化するかがわかります。ほとんどの標準的な産業用モーターの効率は、最大定格負荷の約 75 ～ 85% でピークに達します。 50% の負荷で実行すると、効率は簡単に 5 ～ 10% 低下し、25% の負荷まで下がります。効率が 20% 以上向上していることがわかります。なぜ？なぜなら、モーターの動作が低下すると、ベアリングの摩擦や巻線の電気抵抗など、モーター自体の内部損失を克服するためだけに、より多くの電力が消費されるからです。固定速度モーターはそれに合わせて調整できないため、ピーク負荷に達していないときは基本的に電力を無駄にしています。
VFD はこのスクリプトを反転します。周波数を調整することで、モーターに送られる電圧も調整します。これは、ヘルツあたりの電圧 (V/f) 制御と呼ばれる機能です (これについては、当社の高性能製品ラインでさらに詳しく説明しています。3相可変周波数駆動システム）。これにより、モーターの磁場が安定した状態に保たれるため、速度が低下してもトルクを維持するために懸命に働く必要がなくなります。結果？モーターが部分負荷で動作している場合、VFD は内部損失を大幅に削減します。エネルギー省の 2022 年の調査では、VFD を使用したファンとポンプは、部分負荷で動作した場合と比較して、エネルギー コストを 20 ～ 50% 節約できることがわかりました。固定速度スロットリングにより 0 ～ 5% の節約。私は、昨年コンベアモーターを VFD に切り替えた地元の食品加工工場でこれを直接見てきました。これらの回線のエネルギー料金は 6 か月間で 32% 減少しましたが、フルスピードで動作するのは 15% の時間だけです。
待って、ちょっと待ってください。何か落とし穴はないでしょうか?これもよく聞かれます。 VFD が自らの損失を追加するのではないかと心配する人もいますよね。すべての電子デバイスには小さな損失があり、通常は VFD 自体で 2 ～ 5% です。ただし、計算は次のとおりです。モーターが 50% の負荷で動作している場合、固定速度の効率はおそらく 80%、システム全体の効率 (モーターとスロットル) は約 75% になります。 VFD を追加すると、モーター効率が約 90% に跳ね上がり、VFD 損失は 3% になるため、合計は 87% となり、12% の向上になります。負荷が 25% の場合でも、固定モーター効率は 65% 程度で、スロットリングにより 10% の損失が追加され、合計 55% になります。 VFD セットアップ: モーター効率 82%、VFD 損失 3%、合計 79% (24% のゲイン)。これらの数字は、特にモーターを 24 時間 365 日稼働させている施設では急速に増加します。
すべてが同じように構築されているわけではないため、さまざまな VFD タイプについて説明します。私たちの7.5Kwインバータードライブは、小型ポンプやコンベアなど、小規模から中規模のアプリケーションの主力製品です。周波数コンバータ 50hz から 60hz 3 相地域間で切り替える必要がある施設や、間違った周波数で動作している古い機器に最適です。単相電源しかない場合でも、次のようなサービスが提供されます。単相周波数コンバータモーターの三相に変換するラインと、VFD 220v 3 フェーズ小規模な商用セットアップに人気の選択肢です。これらすべての鍵となるのはベクトル制御です。これは、部分負荷に対する古い V/f 制御よりも優れています。これにより、VFD が電圧をより正確に調整できるため、非常に低速でもモーター効率が高く維持されます。これは、制御がずさんで低負荷時に効率が低下する可能性がある安価な無名の VFD とは大きな違いです。
もう 1 つ、ほとんどの人が語らないことは、部分負荷効率がモーターの寿命にどのように関係しており、それによってコストも節約できるかということです。部分負荷で動作する固定速度モーターは非効率であるため、余分な熱に対処する必要があり、一定のスロットリングによりベルト、バルブ、ポンプに機械的ストレスが発生する可能性があります。 VFD により、モーターがよりスムーズで安定した速度で動作し、磨耗が軽減されます。お客様からは、VFD に切り替えた後、エネルギーの節約に加えて、モーターのメンテナンス費用が 25% 削減されたとの報告を受けています。それは二重の勝利です。
これを具体的にするために実際の例を使用してみましょう。 10HP モーターが冷却ポンプを 24 時間 365 日、年間 50 週間稼働しているとします。年間8,760時間ということになります。古い固定速度セットアップでは、50% 負荷時の平均効率は 78% です。電気料金は 1kWh あたり 0.12 ドルです。年間エネルギーコスト: 10HP x 0.746 kW/HP = 7.46 kW。 7.46 kW x 8,760 時間 / 0.78 効率 = 年間約 85,000 kWh。費用: ~$10,200。 VFD に切り替えると、50% 負荷での平均モーター効率は 90%、VFD 損失は 3% になります。年間エネルギー量: 7.46 kW x 8,760 時間 / (0.90 * 1.03) = ~70,000 kWh。費用: ~$8,400。モーターごとに年間 1,800 ドルの節約になります。これらのモーターを 10 個備えた工場の場合はどうでしょうか?それは年間18,000ドルです。 5年かける？これは 90,000 ドルで、まったく新しい VFD セットアップを購入してもまだお金が残るほどの金額です。
さて、VFD に価値がない時はあるでしょうか?もちろん。速度が決して低下しない重要なプロセスのメインドライブのように、モーターが 100% の負荷で 100% 動作する場合、大きな利益は得られません。しかし、それは超稀なことです。ほとんどの産業用モーターは、サイクルの少なくとも一部、場合によっては長期間、部分負荷で動作します。メインモーターの負荷が平均して 30 ～ 40% しかないショップも見てきましたので、節約効果はさらに大きくなります。
ここでの大きなポイントは何でしょうか？部分負荷時のモーター効率に関して言えば、3 相可変周波数ドライブは単なる優れたアップグレードではなく、最もコスト効率の高いエネルギー投資の 1 つです。固定速度スロットルによる無駄を修正し、必要なときに正確にモーター効率を向上させ、さらにはメンテナンスコストも削減します。能力の半分しか働かないモーターのエネルギー代にお金を捨てるのにうんざりしている場合、または小型かどうかにかかわらず、どの VFD が自分のセットアップに適しているか知りたい場合7.5Kwインバータードライブまたはそれ以上の3相可変周波数駆動あなたの施設全体のために、私がお手伝いします。 VFD がどのようにコストを節約できるかについて、プレッシャーをかけることなく、率直に話し合うだけで、お客様のニーズに合わせて当社のチームに連絡してください。
参考文献
- 米国エネルギー省、「ポンプおよびファン システムの可変周波数ドライブ」、2022 年。
- 電気工事およびメンテナンス、「VFD が部分負荷時のモーター効率を向上させる方法」、2021 年。
- 国際電気標準会議、「回転電気機械の効率クラス」、2020 年。