110V 単相モーターを使用する作業場、ガレージ、さらにはホームセンターに足を踏み入れたことがある人なら、これらの主力機械がいかに便利であるかをご存知でしょう。ベンチ グラインダーや木工工具から小型ポンプや HVAC ファンに至るまで、あらゆるものに電力を供給します。しかし、初めて VFD とペアリングした場合 (または、しばらく使用していた場合でも)、古いオン/オフライン電源設定では存在しなかった奇妙な振動の問題に気付いたかもしれません。を専門とするサプライヤーとして110V単相モーター用VFD(リンク: /vector-frequency-converter/universal-frequency-converter/vfd-for-110v-single-phase-motor.html)、よくこの質問を受けます。なぜこれらの小型単相モーターの VFD が振動を引き起こすのか、そしてそれをどうやって修正するのですか?退屈なエンジニアリング専門用語を使わずに、日常の仕事に実際に影響を与える内容だけを説明しましょう。
まず、はっきりさせておきたいのは、ほとんどの場合、VFD は問題ではないということです。モーターの速度、トルク、効率を調整するように設計されており、フルチルトで 24 時間稼働させるよりもはるかに優れています。しかし、110V 単相モーターは兄弟の三相モーターとは異なり、その違いがほとんどの振動の問題の始まりです。私が目にする最も一般的な問題と、その問題が発生する理由とその対処法を見てみましょう。
1. VFD によって引き起こされる一般的な 110V 単相モーターの振動の問題
新規ユーザーが犯す最大の間違いは、互換性を確認せずに汎用 VFD と 110V 単相モーターを組み合わせることです。待って、すべての VFD が単相 110V で動作するわけではありませんよね?だからこそ私たちの単相～三相用VFD(リンク: /vector-frequency-converter/universal-frequency-converter/vfd-for-single-phase-to-three-phase.html) は、そのギャップを埋めるために特別に構築されています。通常の三相 VFD は 110V 単相モーター特有の電流引き込みに対応できず、電力の流れが不安定になるためです。
具体的な振動の問題を詳しく見てみましょう。
サブハーモニック・レゾナンス: 隠れた振動トリガー
110V 単相モーターはグリッドからの正弦波で動作します。スムーズで一貫性があり、奇妙なスパイクはありません。しかし、VFD は、正弦波を模倣した一連の高速のオンオフ パルスである PWM (パルス幅変調) 信号を出力します。 VFD のスイッチング周波数がモーター、マウント、さらには動力を供給しているツールの固有共振周波数と一致すると、フィードバック ループが発生し、振動が通常をはるかに超えて増幅されます。
たとえば、ベンチ グラインダーのベースの固有振動が 120 Hz で、VFD のスイッチング周波数が 120 Hz に設定されている場合、この 2 つの振動が互いに反射し、ユニット全体が狂ったように震えます。 110V 単相モーターの場合、その固有の設計にすでにわずかなトルク リップルがあるため、これはさらに卑劣です (AC サイクルの半分でのみ電力が供給される)。これを適切な周波数に達する PWM 信号と組み合わせると、その小さなリップルが大きく不安定な問題になります。
トルクリップルの増幅
単相モーターは一定ではないトルクを生成します。AC サイクルごとに 2 回、トルクがゼロに低下します (電力線が 1 本しかない単相の仕組みがまさにこれです)。ライン電源では、モーターの慣性がそれを平滑化するため、ほとんど感じません。しかし、特に低速 (ファンやポンプの動作が遅い場合によく見られる 10 ～ 20 Hz など) で VFD を使用すると、慣性が追いつくことができなくなります。 VFD の PWM 信号はトルク ギャップを十分に埋められないため、自然なトルク リップルが増幅され、顕著な振動が発生します。
小型の 110V 単相ポンプで通常の 1.5 Kw VFD (リンク: /vector-frequency-converter/universal-frequency-converter/1-5-kw-vfd.html) を使用しているお客様でこの状況を確認しました。15 Hz では、ポンプはマウントから飛び降りるほど激しく揺れました。単相低速用に校正された VFD に切り替えると、その 80% がすぐに修正されました。
不平衡電流引き込み
110V 単相電源は、まさに 1 相、1 つのニュートラルです。しかし、VFD がそれをモーターに必要な出力に変換するとき、三相入力とは異なる方法で電流を処理する必要があります。 VFD のサイズがモーターに対して正しくない場合、または入力電源が汚れている場合 (同じ回路に電力を引き込んでいる古い配線や他のツールによるものなど)、モーターの巻線に電流が不均一に流れる可能性があります。このアンバランスによりローターに磁力が発生し、ローターがスムーズに回転せずにぐらつきます。ここでの解決策は簡単です。VFD がモーターの馬力に応じて定格されていることを確認し、他の高出力ツールを使用している工場で VFD を実行している場合は、VFD 専用の回路を取り付けます。
VFD で悪化する機械的な位置ずれ
待ってください、これは電気的なものではありません。振動の問題の多くは VFD のせいだとされていますが、実際には古い機械的な問題が VFD によってより顕著に現れています。たとえば、モーターのシャフトが駆動しているツール (鋸刃やグラインダー ホイールなど) とわずかにずれている場合、電源とは異なる速度でモーターを動作させると、ずれによる振動周波数がモーターの固有共振と一致します。フルスピードではほとんど気づかなかった小さなズレが、30 Hz になると突然大きな揺れになります。
これが、私が VFD の初心者ユーザーに、最初に機械のセットアップを確認するようにいつも言っている理由です。マウントがしっかりと固定され、ベルトの位置が調整され、シャフトが真っ直ぐであることを確認してください。 VFD は位置ずれを引き起こすわけではありませんが、それを増幅するので、VFD の問題のように感じます。
110V 単相モーターが VFD 関連の振動を特に起こしやすい理由
本当のことを言いましょう。三相モーターは、110V の単相モーターよりもはるかに優れた VFD を処理できるように作られています。単相モーターはステーターが小さく、巻線が少なく、前述した自然なトルク リップルが発生します。また、三相電源のような「共有負荷」がないため、VFD の出力に不一致が発生すると、より大きな打撃を受けます。
もう 1 つの点は、市場に出回っているほとんどの低価格 VFD は三相モーター用に設計されており、ごく一部のサブセットは単相用に作られています。 110V で動作すると記載されているが適切なフィルタリングを備えていない安価な VFD を入手した場合、トラブルが発生します。フィルタリングは PWM 信号を平滑化し、モーターの巻線に干渉しないようにします。安価な VFD はコストを削減するために重いフィルタリングを省略しており、これが前述の共振とトルク リップルにつながります。
振動を修正する: 実行できる実践的な手順
問題はわかったので、揺れを止めるために実際に何ができるでしょうか?これらのセットアップに毎日取り組んでいるサプライヤーとして、最も簡単なものから最も複雑なものへと並べた、私がよく使う修正リストを以下に示します。
- VFD のスイッチング周波数を調整する: ほとんどの VFD では、この設定を微調整できます (通常は 2 kHz から 15 kHz まで)。振動が共振によるものである場合は、スイッチング周波数を 2 ～ 3 kHz 上下するだけでフィードバック ループが切れる可能性があります。プロのヒント: スイッチング周波数が高いほどスムーズになりますが、消費電力が少し増えるため、振動とのバランスをとってください。
- VFD をモーターに適合させる: 一般的な VFD は使用しないでください。弊社のような 110V 単相モーター用に構築されたものを使用してください。110V単相モーター用VFD。これらには、単相トルク用に追加のフィルタリングとソフトウェアが校正されているため、単相用に再利用された三相 VFD よりも優れた固有トルク リップルの処理が可能です。
- 機械的セットアップをチェックする: モーターマウントを締め、シャフトを再調整し、摩耗したベルトまたはベアリングを交換します。 10 ドルのアライメントチェックは、100 ドルの VFD アップグレードよりもはるかに多くの振動を修正します。
- DC リンク チョークまたは出力フィルターを追加する: VFD を低速 (20 Hz 以下) で長時間実行している場合、VFD の出力にある小さなフィルターが PWM 信号を平滑化し、トルク リップルを低減します。これは、単相モーターに大きな違いをもたらす安価なアドオンです。
- 可能な限り低速を避ける: アプリケーションに低速が必要ない場合は、トルク リップルが目立たなくなる高速でモーターを実行します。最近の VFD には、低速時のトルクを調整する「ブースト」設定があり、振動を抑えることもできます。
いつ助けを求めるべきか
振動は無視できるものではありません。振動はモーターを磨耗させたり、工具を損傷したり、さらには安全上の問題となる可能性があります。基本的な修正を試しても震えが残る場合は、いくつかの点を確認してください。
- VFD のサイズは適切ですか? VFD が小さすぎると大量の電流が流れ、過熱や振動が発生します。 VFD が大きすぎると、小型の単相モーターに対して十分な解像度が得られない可能性があります。最大 1.5 馬力までのほとんどの 110V 単相モーターにとって、1.5 Kw VFD が最適です。1.5Kw VFDまさにそのために作られています。
- 入力電源はクリーンですか?古い配線、細すぎる延長コード、または同じ回路上の他の機器により、電圧降下やスパイクが発生し、VFD の出力に支障をきたす可能性があります。これをテストするには、VFD を壁に直接 (延長コードなしで) 差し込んでみてください。
- モーターはVFD動作に対応していますか？一部の古い 110V 単相モーターは、ライン電源専用に設計されています。モーターのラベルで「VFD 互換」を確認し、余分な振動や過熱なしに PWM 信号を処理できることを確認してください。
結局のところ、VFD により 110V 単相モーターの汎用性と効率が大幅に向上します。ファンの速度が 50% だけ必要な場合に、モーターをフルに傾けて動作させることでエネルギーを無駄にすることがなくなります。適切な VFD とモーターを組み合わせ、それに合わせて設定を微調整する限り、振動の問題は問題にはなりません。
110V 単相モーター用の VFD を検討している場合、または原因不明の振動に対処するのにうんざりしている場合は、当社のチームに連絡してセットアップについて話し合ってください。当社は、適切なモデルの選択、既存の振動のトラブルシューティング、モーターが今後何年にもわたってスムーズかつ効率的に動作することを確認するお手伝いをします。
参考文献
- 産業アプリケーションに関するIEEEトランザクション。 （2021年）。 「PWM ドライブによる単相誘導モーターのトルク リップルの軽減」
- NEMA 標準出版物 MG 1-2020、「モーターと発電機」。
- Allen-Bradley テクニカル サポート ノート、110V 単相モーターの VFD 互換性。
- ウッドソン、HH、メルチャー、JR (1968)。電気機械力学: パート I、離散システム。ジョン・ワイリー＆サンズ。