周波数駆動モーター制御: VFD のセットアップ、調整、および節約

周波数駆動モーター制御が実際にどのように機能するか

周波数ドライブは、入力 AC を DC に整流し、指令された周波数で反転して AC に戻します。モーターの速度は主に周波数によって設定され、電圧と制御アルゴリズムによってトルクと安定性が調整されます。

速度、トルク、および制御モードが重要な理由

ほとんどのアプリケーションは、可変トルク (ファン/ポンプ) と定トルク (コンベア/押出機) の 2 つの動作タイプに分類されます。ドライブの制御モードを負荷に合わせることで、低速トルク、速度保持、効率が向上します。

VFD が適切なツールである場合

• 流量、圧力、張力、またはスループットの調整可能な速度が必要です。
• ソフトスタートは、アクロスザラインスタートと比較して機械的ショックを軽減します。
• エネルギーコストは高く、プロセスは継続的にフルスピードを必要としません。
• PID 制御、スリープ/ウェイク、マルチスピード プリセットなどの基本的な自動化機能が必要です。

モーター制御用の周波数ドライブのサイズと選択方法

正しいサイジングの原動力となるのは、 モーター全負荷電流 (FLA) 馬力/kWだけでなく、負荷の過負荷要求も考慮します。モーターの銘板から始めて、アプリケーションのデューティ要件を適用します。

迷惑な旅行を防ぐ簡単なサイズ設定ルール

• ドライブの連続電流定格をモーター FLA に余裕を持って一致させます。 1.0倍以上 ファン/ポンプ用、 ≧1.1～1.25× 一定のトルクまたは頻繁な加速の場合。
• 過負荷クラスのチェック: 多くのドライブが提供する 60 代では ~120% （可変トルク）および 60 代では ~150% （一定トルク）ただし、これはモデルによって異なります。
• 加速時間を考慮します。ランプが短いほど、より高いピーク トルク/電流が必要になります。
• ドライブの製造元が指定している場合は、周囲温度、高度、エンクロージャ、およびスイッチング周波数の定格を下げます。

例: 実数での「マージン」はどのように見えるか

400V、30kW モーターの銘板 FLA が次の場合 ～56A (通常の範囲は効率と力率によって異なります)、次の条件を備えたドライブを選択します。 60～70A 連続定格は、多くの場合、ファン/ポンプの負荷に適しています。始動が重いコンベヤの場合、より高い過負荷に耐えられるドライブにステップアップすると、加速中のトリップを防ぐことができます。

信頼性に関する選択チェックリスト

1. 入力電源: 電圧、位相、短絡定格、ラインリアクトルが推奨されるかどうか。
2. モーターの種類: 誘導モーター、PM モーター、または特殊モーター。ドライブの互換性を確認します。
3. 制御ニーズ: 基本的な V/Hz 対ベクトル、エンコーダ フィードバック、オンボード PLC 機能、フィールドバス。
4. ブレーキ: コースト/ストップ、DC インジェクション、ダイナミック ブレーキ抵抗器、または回生ニーズ。
5. 環境：粉塵、湿気、振動。エンクロージャ/IP 定格と冷却戦略を選択します。

VFD モーター制御を安定させるための配線と設置方法

VFD の「謎の」問題のほとんどは、接地、ケーブル配線、または不適切なモーター リード線の使用方法に遡ります。適切に設置するとEMIが低減され、モーターの絶縁が保護され、制御精度が向上します。

ケーブルとアースの必需品

• 必要に応じてシールド付きモーターケーブルを使用してください。高周波ノイズ制御のベストプラクティスに従って、シールドを 360° 終端します。
• モーターのリード線をアナログ/フィードバック配線から物理的に分離してください。交差する必要がある場合は、90°で交差します。
• ドライブ、モーターフレーム、およびパネルのアースを低インピーダンスのアース経路に接続します。可能な限り「デイジーチェーン」アースを避けてください。
• モーターケーブルの配線が長い場合は、反射波電圧ストレスを軽減するために dV/dt またはサインフィルターを検討してください。

モーターとドライブの保護

VFD 出力は PWM 波形であり、特定の設定ではベアリング電流と絶縁応力が増加する可能性があります。軽減策には、特に古いモーターや非常に長いケーブルの場合、適切な接地、絶縁ベアリング (指定されている場合)、コモンモード チョーク、出力フィルタリングなどが含まれます。

これはやってはいけない（よくある失敗パターン）

• ドライブが承認した転送方式を使用せずに、標準のコンタクタを使用して、モータをドライブとライン電源の間で切り替えます。
• VFD 出力に力率補正コンデンサを接続します。
• アナログ基準コモンをノイズの多い回路と共有します。必要に応じて適切な信号絶縁を使用してください。

信頼性の高い周波数駆動モーター制御のための試運転手順

正確なモーターの銘板データを入力することと、ドライブのモーター識別ルーチンを実行することは、最も大きな影響を与えるセットアップ手順の 2 つです。 特にベクトルモードで安定したトルクを生成し、トリップを減らします。

最初に設定する最小パラメータセット

1. モーターのボルト、モーター電流 (FLA)、基本周波数、定格速度 (RPM)、および電力。
2. 制御モード: 可変トルクの場合は V/Hz、一定トルクの場合はベクトル、または低速性能が向上します。
3. 加減速時間と停止方法（コースト、ランプ、DCインジェクション、ダイナミックブレーキ）。
4. 電流制限と過負荷の設定はモーターの熱能力に合わせて行われます。
5. 最小/最大速度 (Hz) およびプロセス制約 (例: 自己換気モーターの最小冷却速度)。

ポンプ・ファンのPID制御例

圧力制御の場合、ドライブは速度を調整して設定値を維持できます。実際的な開始アプローチは、適度な比例ゲインと低速の積分動作であり、その後、応答に基づいて調整します。

• 悪い信号を「同調」しないように、トランスデューサのスケーリングを正しく設定してください (例: 4 ～ 20mA = 0 ～ 10 bar)。
• 需要がゼロに近い場合はスリープ/ウェイク ロジックを使用して、ハンチングを防止し、摩耗を軽減します。
• 必要に応じて、シールの冷却または最小流量を維持するために、適切な最低速度を適用します。

ランプ: プロセスのニーズと電気的制限のバランスをとる

加速中に過電流が発生してドライブがトリップした場合は、加速時間を長くするか、始動負荷を減らしてください。減速中に過電圧でトリップした場合は、減速時間を延長するか、ダイナミックブレーキを追加してください。高慣性負荷の場合、ブレーキ ハードウェアは不安定な停止を制御された停止に変えることがよくあります。

定量化できるエネルギーの節約とパフォーマンスの向上

周波数駆動モーター制御は、可変トルク負荷において経済的に最も魅力的です。親和性の法則により、流量 ∝ 速度、ヘッド ∝ 速度 2、およびパワー ∝ 速度 3 が簡単に推定されます。つまり、わずかな速度低下で kW が大幅に低下する可能性があります。

3次べき乗関係を使った具体例

ファンが 100% の速度で 30 kW を使用する場合、80% の速度での推定シャフト出力は 30 × 0.83 = 30 × 0.512 ≈ 15.4kW 。それはおよその削減です 14.6kW 空気流の最大 80% を動かしながら (同様のシステム条件を想定)。

節約しても期待外れになりがちな場合 (およびその解決方法)

• ほとんどの場合、プロセスが定格に近い速度で一定のトルクを必要とする場合、節約には限界があります。代わりに、メンテナンスの削減と制御の向上に重点を置きます。
• ダンパーまたはスロットルバルブがまだ「実際の」制御を行っている場合は、制御権限を PID を備えた VFD に移し、機械装置をトリムまたは安全制限として扱います。
• 最低速度の設定が高すぎる場合は、プロセスの制約を見直してください。たとえ 10% の速度低下でも、ファン/ポンプの電力は最大 27% 削減される可能性があります。

周波数駆動モーター制御の問題を迅速にトラブルシューティングする

まず、トリップが電流関連、電圧関連、信号/制御関連のどれであるかを特定することから始めます。 ;これにより、根本原因が迅速に絞り込まれ、パラメータのランダムな変更が防止されます。

症状と原因のマップ

簡潔な「グッドプラクティス」のまとめ

周波数駆動モーター制御から一貫した結果を得るには、正確なモーター データ、適切な制御モード、適切なランプ、およびクリーンな設置を優先してください。正しく調整して設置すると、VFD は予測可能なプロセス ツールとなり、断続的なトリップの原因にはなりません。