電気モーターの効率を最適化する方法

広く公表されている見積もりによると、電気モーターで駆動されるシステムは、米国で生産される電力の半分以上を消費し、多くの産業プラントで使用される電力の70％以上を消費します。 ¹ エネルギーと運用コストが非常に高くなっている今、モーターの効率を上げることはこれまで以上に理にかなっています。

多くの施設では、モーター効率戦略を3つのフェーズに分割することが理にかなっています。

• 全体的な評価
• 即時の改善
• 長期

この記事では、ステップ1の概要を簡単に説明し、ステップ2の詳細を説明します。次の記事では、ステップ3の詳細を説明します。

電気モーターの効率を最適化する方法

フェーズ1：評価
モーター評価の内容は次のとおりです。

1. 施設に存在する制御のレベルとともに、モーターの数、年齢、馬力、定格を調査して文書化します。
2. 最も高く最も重要な負荷を特定します。
3. これらの主要ユニットについては、電力ロガーを使用してエネルギー消費量を評価します（消費電力）。

これにより、施設内のモーターの一般的なエネルギー消費量マップが得られます。

フェーズ2：即時の改善
すぐに改善できるのは2種類あります。

1. ユニットおよびユニット操作の変更
2. 修理

ユニットの変更には、一部のモーターをより高効率またはより適切なサイズのモデルに交換すること、他のモーターに適切なサイズの出力に制御を追加すること、および需要とユーティリティの料金と比較してどのモーターを実行するかを再スケジュールすることが含まれる場合があります。

これらの変更のいずれかが施設で意味があるかどうかを判断するには、米国エネルギー省のMotorMaster +などのモーター効率計算機を使用します。モーターごとおよび効率ステップごとの節約を計算するのに役立ちます。

それ以外の場合は、動作を維持する予定のすべてのモーターに対して行う必要のある3つの検査ポイントがあります。

1. 電圧の不均衡
2. 現在の不均衡
3. 力率

テストでこれら3つの変数のいずれかに問題があることが示された場合、これらの問題を修正すると、すぐに効率が向上する可能性があります。論理的には、この段階で行った短期的な改善を維持するために、これらのテストを長期的な定期的なメンテナンスに組み込む必要もあります。

電圧の不均衡
電圧の不均衡は、三相システムの相間の電圧差の尺度です。最適なモーター性能を得るには、相電圧が等しいか、非常に近い必要があります。モーターの性能を低下させるだけでなく、電圧の不均衡によりモーターの寿命が短くなります。

電圧の不均衡は、平均からの最大電圧変動の100倍を3相の平均電圧で割ったものです。この計算により、不均衡がパーセンテージで生成されます。米国エネルギー省（DOE）は、次の例を示しています。 ² 測定された線間電圧が462V、463 V、および455 Vの場合、平均は460 Vです。したがって、電圧の不均衡は次のようになります。

[（460 – 455）x100]÷460 =1.1％

全体として、電圧の不均衡は1％未満で、5％を超えないようにする必要があります。標準EN50160は、共通結合のポイントで2％未満の電圧不平衡を必要とします。米国電機工業会（NEMA）の仕様では、モーター負荷に対して5％未満が要求されていますが、モーター端子の電圧の不均衡は1％を超えないようにし、モーターはより高いパーセンテージでディレーティングすることを推奨しています。 ³

電圧不平衡の測定は、電力品質アナライザーを使用してモーター端子で定期的に実行し、電圧不平衡が5％未満であることを確認する必要があります。さらに、定期的な熱検査により、開閉装置、切断、またはモーター接続ボックスの高抵抗接続が明らかになり、電圧の不均衡が発生する可能性があります。電圧不均衡のその他の考えられる原因には、力率補正装置の故障、供給電圧の不均衡または不整合、変圧器バンクの不均衡、単相負荷の不均一な分散、単相から地絡、または配電システムの一次側の開回路などがあります。

>

修正は、経験豊富な電気技師または電力の専門家が行う必要があります。調整可能な速度ドライブからの供給電圧をチェックすることから始めます（システムで使用されている場合）。また、プラントへのユーティリティ入力とシステムへの変圧器出力を確認してください。これらの「供給源」でバランスの取れた相が見つかった場合、最善のアプローチは、モーターから始めて、最初の供給源である電力会社の電力に体系的に戻ることです。

潜在的な節約とROI： 全体的な節約を計算する最良の方法は、MotorMaster +などのソフトウェアツールを使用することです。以下を知っている場合、基本的な計算は次のように機能します（サンプル値は括弧内に表示されます）：

• モーターへの負荷（100％）
• 馬力（100 hp）
• 実行時間（年間8,000時間）
• 負荷の公称不均衡時の効率（94.4％） ⁴
• 実際の不均衡と負荷時の効率（93％）
• 1馬力は0.746キロワットに変換されます

提供されたサンプル値を使用すると、是正措置後の年間エネルギー節約（AE）は次のようになります。

AE =100 hp x 0.746 kW / hp x 8,000時間/年x（100÷93 – 100÷94.4）=9,517 kWh

電気料金がkWhあたり0.05ドルの場合、年間のドル節約額（AS $）は次のようになります。

AS $ =9,517 kWh x $ 0.50 / kWh =$ 476 /年

産業環境では、多くのモーターが同じ不平衡電源から電力を供給される場合があります。したがって、潜在的な節約は単一のモーターよりもはるかに大きく、実際の節約は負荷、実行時間、馬力などに依存します。

最後に、電源が不均衡な場合、モーターはより高温になることを忘れないでください。電圧不平衡の約2倍（2 x％電圧不平衡）。たとえば、2％の電圧不均衡では、モーターは摂氏8度の温度上昇を経験します。動作温度が10℃上昇するたびに、モーター巻線の絶縁体の寿命が半分になります。

現在の不均衡
電流の不均衡は、三相システムの各脚のモーターによって引き出される電流の差の尺度です。電流の不均衡を修正することで、過熱やモーター巻線の絶縁劣化を防ぐことができます。各レッグのドローは、等しいか、ほぼ等しい必要があります。電流の不均衡の原因の1つは電圧の不均衡であり、これは電圧の不均衡自体に大きく比例しない電流の不均衡を引き起こす可能性があります。電圧の不均衡がない状態で電流の不均衡が発生した場合は、電流の不均衡の別の原因を探します（たとえば、絶縁不良やアースへの相の短絡など）。

電流の不均衡は、電圧の不均衡と同じ方法で計算されます。これは、平均からの最大電流変動を3相の平均電流で割った値の100倍です。したがって、測定された電流が30アンペア、35アンペア、および30アンペアの場合、平均は31.7アンペアであり、電流の不均衡は

[（35 – 31.7）x100]÷31.7 =10.4％

三相モーターの電流不平衡は10％を超えてはなりません。

電流の不均衡の測定には、経験豊富な電気技師または電力の専門家が関与する必要があります。電圧不平衡と同様に、電力品質アナライザを使用してモーター端子で定期的に実行する必要があります。不平衡の2つの測定値（電圧と電流）は、同じ電力品質アナライザーで同時に実行および保存できます。

現在の不均衡の修正には、次の戦略のいずれかまたはすべてが含まれる場合があります。

• 不均衡が供給された電力の結果である場合、力率補正デバイスが問題を解決できます。
• 問題がモーター自体にある場合、たとえば、絶縁不良やアースへの相短絡などが原因で、オプションを慎重に検討します。モーターを修理（巻き戻し）するか、新しいモーターと交換するかを決めるのは難しいです。 DOE ⁴ によると …
  • 巻き戻しは、ほとんどの場合、モーターの効率と信頼性を低下させます。巻き戻しコスト、予想巻き戻し損失、新しいモーター購入価格（標準モデルとエネルギー効率の高いモデルの両方）、モーターサイズと元の効率、負荷率、年間稼働時間、電気料金、ユーティリティリベートの可用性、単純な回収などの変数を考慮してください。基準。
• ほとんどの場合、次の場合に新しいモーターを購入します。
  1. 故障したモーターは40馬力未満で、15年以上経過しています。特に、以前に巻き戻されている場合はそうです。
  2. モーターが15馬力未満の非特殊モーターである、または
  3. 巻き戻しのコストは、新しいモーターのコストの50％以上です。

後者の場合、効率と信頼性の向上により、迅速な投資収益率が得られるはずです。

潜在的な節約とROI： ROIには、エネルギーの節約と長期的な生産の節約（モーターの故障とダウンタイムの防止）の2つの形式があります。可能性のあるユーティリティリベートも関係します。

特に巻き戻しが選択されたソリューションである場合、エネルギー節約を決定するのは難しい場合があります。最終的な巻き戻し損失は、巻き戻し後まで不明です。

新しいモーターを購入する場合は、MotorMaster +ソフトウェアを使用して、交換によって期待できる年間のエネルギー節約（AS $）を計算します。次の情報が必要です： ⁶

• モーター定格馬力（hp）
• 負荷率（L =全負荷のパーセンテージ÷100）
• 年間営業時間（時間）
• 平均エネルギーコスト（C =$ / kWh）
• 既存のモーター効率（Estd、パーセンテージ）
• 新しいモーターの効率評価（Eee、パーセンテージ）
• hpからkWへの変換係数（0.746）

この情報を前提として、

AS $ =hp x L x 0.746 x hr x C x [（100÷Estd）–（100÷Eee）]

一般に、プレミアム効率のモーターは、標準効率のモーターよりも約1％効率が高く、エネルギーの節約により、通常、18か月未満の回収期間が得られます。既存の巻き戻しユニットと比較して、新しいプレミアム効率モーターは1％以上効率が高くなります。

力率
悪い力率は、ある種の機器の操作によって生成され、ユーティリティからのペナルティ料金が発生します。モーターを含むすべての主要な回路と負荷の力率を評価します。力率が100％、つまり「1」に近いほど良いです（ユーティリティは通常、力率が95％未満の場合にペナルティを課します）。力率を上げると：

• 電気代を減らす
• 電気システムの容量を増やす
• 電圧降下を減らす

力率（PF）は、モーターや変圧器などの誘導性負荷（コイルを含む負荷）によって発生します。これはパーセンテージまたは数値で表され、100パーセントまたは1が理想的です。力率は、実際の（動作）電力（キロワットkW）と見かけの（合計）電力（キロボルトアンペアkVA）の比率です。見かけの電力は、実電力と無効電力の組み合わせです（キロバールkVAR）。

無効電力が増加すると、見かけの電力が増加し、その結果、力率が低下します。したがって、無効電力を減らすと力率が上がります。これは一般的に良いことです。

力率の測定は、電力品質アナライザを使用して行うのが最適です。始める前に、以下を確認してください：

• 低力率またはVARに対するユーティリティの課金方法
• ユーティリティによると、力率は1か月あたりの平均です
• デマンドチャージとは
• ユーティリティは力率またはVARをどのように測定しますか：ピーク間隔または平均？

目標は、無効電力の遅れを引き起こしている負荷を特定し、力率を改善するための戦略を開発することです。 ⁶

ユーティリティがデータを監視するサービス入口から開始し、個々の負荷を確認します。電力品質アナライザーを使用すると、特定の記録期間における平均力率を見つけることができます。

次の戦略を使用して力率を修正します。

• アイドリングモーターまたは軽負荷モーターの使用を削減または削減します
• 定格電圧を超えてモーターを操作しないでください
• 故障した標準モーターをエネルギー効率の高いモデルに交換します
• 影響を受ける回路にコンデンサを取り付けて、無効電力を減らします

潜在的な節約とROI： ユーティリティと調査からの情報を使用して、節約額を計算します。力率が0.97％未満の場合、ユーティリティが1％ごとに1％の需要料金を追加するとします。力率が毎月平均86パーセントである場合、操作は97パーセントのしきい値を11パーセント（97パーセントマイナス86パーセント）下回っています。需要料金が月額7,000ドルの場合、力率補正による回避可能な年間コストは次のようになります。

（11％x月額$ 7,000）x12か月=$ 9,240

次のステップ
すぐにモーター効率の調査を終えたら、長期的なメンテナンス方法を評価し、そこでも変更を加え始めます。これらの同じ電圧と電流の不均衡チェックを定期検査に含めてください。また、長期的なパフォーマンスをさらに向上させるために、接続とアース、設計外の電圧、および絶縁抵抗を定期的に検査することを検討してください。

この記事は、フルーク・コーポレーションの厚意により提供されています。このテーマの詳細については、www.fluke.comにアクセスしてください。

メモ
¹ ファクトシート：「モーター駆動システムの最適化」。 モーターチャレンジ 資料。 Motor Challengeは、米国エネルギー省（DOE）のプログラムです。詳細については、http：//www1.eere.energy.gov/industry/bestpracticesをご覧ください。

² モーターシステムのヒントシート＃7（2005年9月）：「電圧の不均衡の解消」、エネルギーのヒント–モーターシステム DOEの産業技術プログラムのために書かれた文書。

³ 実験室の外でモーターの効率を決定することは困難であり、多大な労力と設備を必要とします。さらに、効率の±1％は、計算されたドルの節約に大きく影響します。 （モーターシステムのヒントシート＃2（2005年9月）を参照）：「現場でのモーター効率の推定」、エネルギーのヒント–モーターシステム DOEのIndustrialTechnologies Program用に作成されたドキュメント。）負荷率がわかっている場合、MotorMaster + 4.0ソフトウェアは、利用可能なデータに基づいて、負荷時の効率を自動的に選択します。

⁴ ファクトシート：「モーター駆動システムの最適化」。

⁵ DOEのファクトシートから：「エネルギー効率の高い電気モーターの購入」、モーターチャレンジドキュメント。質問5：「エネルギー効率の高いモーターはいつ費用効果が高いですか？」

⁶ DOEのファクトシート「力率コストの削減」を参照してください。モーターの課題 ドキュメント。