AC 周波数変換器 (可変周波数ドライブ、略して VFD とも呼ばれます) に依存するビジネスを運営している場合は、おそらく、機器の過熱という頭痛の種に一度は直面したことがあるでしょう。私は 10 年以上にわたり、工場、小規模製造工場、さらには商業施設に AC 周波数変換器を供給してきました。お客様からいただく最も一般的な質問の 1 つは、「この製品には実際にどのくらいの冷却が必要ですか?」というものです。これは単なる捨て問題ではありません。適切な放熱を怠ると、部品の早期故障、計画外のダウンタイム、および事前に冷却を計画していた場合よりもはるかに高額な修理費が発生することになります。これを、工学専門用語を多用せずに平易な言葉で分解し、世の中のあらゆる種類のモーター アプリケーションの作業から学んだことを結び付けてみましょう。
まず、AC 周波数変換器とは何ですか、そもそもなぜ熱を発生するのでしょうか?という基本的なことから始めましょう。初めての方のために説明すると、AC 周波数変更器は、電気モーターに供給される電力の周波数と電圧を変更することで、電気モーターの速度を調整します。これは、必要のないタスクでモーターを常に全速力で稼働させるよりもはるかに効率的です。たとえば、軽い負荷の場合は半分の速度しか必要としないベルトコンベアや、穏やかな日には速度が低下するファンなどです。ただし、ここに問題があります。100% 効率がよい電気機器は存在しません。最高の AC 周波数変換器であっても、熱として消費される電力の約 2 ～ 5% が失われます。ちなみに、10 馬力 (HP) のモーターがフルスピードで動作している場合、周波数変更器は約 7,457 ワットの電力を消費し (1 HP = ~745.7 ワットであるため)、およそ 150 ～ 370 ワットが熱として浪費されます。これを 100 HP システムにスケールアップすると、ドライブ自体からだけで 1,500 ～ 3,700 ワットの熱が発生することになります。これに 1 日あたりのドライブの稼働時間をかけると、熱は急速に増加します。
そのため、熱放散要件を適切に満たすことは、単に「ドライブを冷却する」ことだけではなく、システム全体を保護することにもつながります。以前にもここで手抜きをする顧客を見てきました。私が数年前に一緒に働いていた小さなパン屋では、生地ミキサーに安価な VFD を設置し、余分な換気もせずに窮屈な電気クローゼットに突っ込んだところ、6 か月以内にドライブの IGBT (絶縁ゲート型バイポーラ トランジスタ、主な電力コンポーネント) が過熱により焼き上がってしまいました。結局、ドライブだけでなくミキサーモーターも交換する必要があり、クローゼットに小型のファンやヒートシンクを追加して設置する場合よりもはるかに費用がかかりました。
では、特定の AC 周波数変換器に必要な正確な熱放散をどのように計算すればよいでしょうか?これは万能の数値ではないため、私は常にお客様に、ドライブの定格電力と動作効率という 2 つの重要な要素から始めるように伝えています。最新の AC 周波数変換器の効率定格は 95% ～ 98% であるため、熱損失の公式は非常に単純です: 熱損失 = (ドライブ入力電力) x (1 - 効率)。実際の例でそれを見てみましょう。ポンプに電力を供給する 5 HP AC 周波数変換器があるとします (低電力ユニットの参考として、/vector-frequency-converter/economic-frequency-converter/vfd-for-small-motors.html で小型モーターに焦点を当てたモデルを確認できます)。 5 HP ドライブの入力電力は約 3,728 ワットです。効率が 96% である場合、電力の 4% が熱として失われることになります: 3,728 x 0.04 = ~149 ワット。それはドライブ自体が発する熱量です。しかし、待ってください。これで終わりではありません。また、同じ筐体内のモーターや近くにある他の電気コンポーネントからの熱も考慮する必要があります。たとえば、5 馬力の誘導モーターは、全負荷で動作すると電力の約 1 ～ 3% が熱として失われるため、そこにさらに 37 ～ 111 ワットを追加し、さらにクローゼット内の配線やその他の制御装置からの熱も加えます。全体として、この小さなシステムの場合、放散する総熱量は約 200 ～ 260 ワットになります。
より大規模なシステム (たとえば、倉庫内のコンベヤー システムに電力を供給する 100 HP AC 周波数切替器) の場合、計算は変わりますが、ロジックは変わりません。 100 HP ドライブの入力電力は約 74,570 ワットです。 97% の効率では、ドライブだけで 2,237 ワットの熱が発生することになります。 100 HP モーターの 745 ～ 2,237 ワットの熱損失を加えると、合計 3,000 ワット以上の熱が放散されることになります。これは大きな数字であるため、大型ドライブには通常、同じ部屋にボックス ファンだけではなく専用の冷却が必要になります。
しかし、ここで多くの人が犯す間違いがあります。熱損失を計算するためにドライブの定格電力をフルスピードで使用しますが、ほとんどのアプリケーションは常にフルスピードで実行されるわけではありません。 VFD が 50% の速度でのみ動作している場合、効率はわずかに (約 97 ～ 98% まで) 向上し、入力電力が低下するため、熱損失も低下します。たとえば、5 馬力ドライブが 50% の速度で動作している場合、その入力電力は約 1,864 ワット、効率は 97% であるため、熱損失はわずか約 56 ワットです。そのため、冷却ニーズを把握する際には、最大定格ではなく実際の平均動作負荷を使用するようにお客様に常に伝えています。冷却装置を大きくしすぎるのは簡単ですが、エネルギーとコストが無駄になります。冷却装置のサイズを小さくすると、前に説明したのと同じ過熱の問題が発生します。
次に、熱を放散するさまざまな方法について説明します。使用する方法は設定によって異なります。最も基本的なものは受動冷却です。ドライブの内部コンポーネントにヒートシンクが取り付けられ、熱が周囲の空気に放射されます。これは、換気の良いオープンスペースに設置された小型の低電力ドライブ (5 HP 未満) に最適です。しかし、小型モーター ドライブが他の機器と一緒に狭いコントロール パネルに押し込まれている場合は、受動的冷却だけでは十分ではありません。ここで、強制空冷が登場します。ドライブ上またはドライブの近くに取り付けられた小型ファンが、ヒートシンクに冷気を吹き付けたり、筐体から熱気を排出したりします。中型ドライブ (5 ～ 50 HP) の場合、強制空気は頼りになるオプションです。手頃な価格で設置が簡単で、ほとんどの商業および軽工業のセットアップに使用できます。
大型のドライブ (50 HP 以上) や、周囲温度が高い密閉空間 (夏場のアリゾナ州の炉室や倉庫など) にドライブを設置する場合は、液体冷却が必要になります。これは、冷却剤ループを使用してドライブの内部コンポーネントから熱を奪い、その冷却剤を熱交換器に通して熱を外気に放出します。液体冷却は初期費用が高くなりますが、高出力システムにとってははるかに効率的で、屋外がどれほど暑くなってもドライブを一定の温度に保ちます。空調設備の整っていない倉庫で 100 馬力以上のドライブを所有している顧客が、強制空冷から液冷に切り替えることで修理コストを何千ドルも節約しているのを見てきました。
もう 1 つ考慮すべき点は、周囲温度です。制御室の平均温度が標準 (ドライブ動作の業界標準である 77°F、つまり 25°C) より 10°F 高い場合、放熱要件は 2 倍になります。一年のほとんどの期間にわたって空間が高温になる場合は、それを補うために追加の冷却能力が必要になります。たとえば、制御室が年間を通じて約 90°F (32°C) に保たれる工場にいる場合、前述した 77°F で 150 ワットの熱損失しか必要としない 5 馬力ドライブには、約 200 ワットの冷却が必要になります。このような小さな調整は、特に 24 時間 365 日稼働するシステムの場合、積み重なります。
ここで、購入者としてこれがなぜ重要なのかを振り返ってみましょう。古い AC 周波数チェンジャーを交換する場合でも、新しいマシンを装備する場合でも、熱放散を適切に行うことでドライブの寿命を延ばし、予期せぬダウンタイムを回避できます。私は常に、セットアップを完了する前に次の 3 つの質問を自問するようにお客様に伝えています。 1) 同じエンクロージャ内のドライブ、モーター、その他のコンポーネントからの総熱出力はいくらですか? 2) ドライブが設置される場所の周囲温度は何度ですか? 3) ドライブは部分負荷と比較して、どのくらいの頻度で全負荷で動作しますか?これらに答えることができれば、必要な冷却が正確にわかるでしょう。
どこから始めればよいかわからない場合は、それが私がここにいる目的です。私は小型のベーカリーミキサーから 200 HP コンベア システムまで、あらゆる種類のアプリケーションを扱ってきました。頭を悩ませることなく、ドライブのサイズ設定や冷却ニーズの計算をお手伝いできます。当社のチームは、/vector-frequency-converter/economic-frequency-converter/ac-frequency-changer.html にリンクされている小型モーター中心のユニットを含む、あらゆるサイズのモーターに対応する AC 周波数チェンジャーを専門としているため、実際の熱条件に対応するようにドライブが構築されていることがわかります。
ちょっと待ってください。もう 1 つのよくある間違いを避けるための簡単な注意事項です。ドライブの周囲のスペースを考慮することを忘れないでください。たとえ適切な量の冷却があったとしても、VFD が空気を循環させる余地のないパネルに詰め込まれていると、熱が蓄積します。通常、通気のためにドライブの四方に少なくとも 6 インチのスペースを残すことをお勧めします。 6 インチというサイズは大したことではないように思えるかもしれませんが、10 年間動作するドライブと 2 年で故障するドライブの違いを生む可能性があります。
結局のところ、熱は AC 周波数変換器の最大の敵です。前払いの数ドルを節約するために冷却をケチった結果、最終的には新しいドライブの購入とダウンタイムの費用を支払うことになる顧客が非常に多く見てきました。新しい AC 周波数チェンジャーを検討している場合、または熱放散のニーズを把握するためにサポートが必要な場合は、当社のチームに連絡してプロジェクトについて話し合ってください。セールストークはなく、お客様と同じような機器を長年扱ってきた経験に基づいた率直なアドバイスだけです。熱管理が不十分なために業務に支障をきたさないようにしてください。初めて正しく理解しましょう。
参考文献
- モーター ドライブ: AC 可変周波数ドライブの基礎について、National Electrical Manufactures Association (NEMA)
- 工業用可変周波数ドライブの熱放散ガイドライン、国際電気標準会議 (IEC) 規格 61800-5-1
- 小型モーター VFD アプリケーション ガイド、産業用モーター制御協会 (IMCA)