ドライブの電圧ディップ応答：電源瞬断への実践的ガイド

公共電源は一般的に信頼性が高いものの、擾乱を受けることがあります。完全な停電であれば、UPSや非常用発電機などのバックアップ電源がない限り、すべての電気機器が停止します。電源復旧時には、機器は設計通りの方法でオフ状態から再起動します。しかし、短時間の瞬断や電圧ディップという種類の擾乱では、挙動がそれほど明確ではありません。

短時間の電圧ディップは珍しくありません。落雷や樹木の倒壊などによる送電線故障、あるいは重工業分野では大型モータの直入始動時に発生します。公共電力系統で故障が発生すると、故障点から系統全体に電圧ディップが伝播します。電力会社の保護装置が約200ミリ秒のオーダーで故障回路を遮断し、その後ほとんどの需要家で電圧が回復します。場合によっては自動再閉路装置が数回動作した後で回復します。この間、需要家は故障点からの電気的距離に応じた深さの電圧ディップを経験します。

電気機器がディップや瞬断の最中およびその後に正しく振る舞うことは重要ですが、見落とされがちです。短時間または浅いディップは乗り越える（ライドスルー）べきです。不可能な場合、正しい振る舞いは用途によります。予期せぬ再起動による危険を避けるため手動再起動を必要とする用途、複数モータの協調制御下で自動再起動する用途、電源復帰時に制御された方法で自動再起動する必要がある用途などがあります。正しく再起動しないと、製造ラインの生産損失、エレベータ閉じ込め、空調システムのトリップ、電子機器のリセットのために高価なサービス訪問が必要になるなど、様々な問題を引き起こします。

ディップと瞬断

最短のディップと瞬断は、通常約10ミリ秒（商用周波数の半サイクル）程度の持続時間です。約10秒を超えるものは停電と見なされます。振る舞いを注意深く見る必要がある持続時間の範囲は、主に10ミリ秒から約500ミリ秒です。この範囲では、設計上の誤りによりプロセッサのハングアップやクラッシュ、データ破損などの誤動作が生じる可能性があります。

三相システムでは、落雷や落下物が往々にして1相のみに影響するため、故障が1相のみに影響することがよくあります。しかし、全3相に広がることもあります。高圧送電系統での単線接地故障は、デルタ・スター変圧器を経て低圧配電系統では線間故障として現れます。モータ始動によるディップは全3相に影響します。

エネルギー蓄積とライドスルー

典型的な商用電源駆動の電子回路では、内部DC電源ラインに整流電圧を平滑するための比較的大きなコンデンサが接続されており、通常10〜20ミリ秒程度回路を動作させるだけのエネルギーを蓄えています。これより短いディップや瞬断では正常に動作し続け、低電圧を検出する電源監視回路がある場合があります。その後、不揮発性メモリに重要データを保存し、既知の状態にシステムを移行する短いルーチンを実行する時間があります。そこから電源復帰時に再起動できます。約100ミリ秒までのライドスルーが必要な場合は、追加コンデンサで達成可能ですが、それ以上では何らかのバッテリやUPSが必要です。

一方、典型的な可変速ドライブでは、高い電力スループットのため、コンデンサは定格負荷電力を10ミリ秒でさえ供給するのに十分なエネルギーを蓄えていません。負荷電力がたまたま非常に低い場合を除き、コンデンサ蓄積エネルギーだけでシンプルにディップを乗り越える現実的な可能性はありません。特殊用途では、追加の外部コンデンサ、スーパーキャパシタ、バッテリをDCバスに接続してライドスルーを確保することがありますが、通常はコストが高すぎます。

他方、モータ慣性に機械的に蓄えられた有用なエネルギーがある場合があります。用途によっては、このエネルギーの一部を利用して、電源復帰時に備えてドライブを生存可能な状態に維持できることがあります。

ドライブのライドスルー

図1はACドライブの主要電力コンポーネントを示しています。チョークはオプションで、ライドスルーへの影響はほとんどありません。

図1：AC VSDの主要電力コンポーネント

整流器は単方向で、電力はAC電源からDCバスへのみ流れます。インバータとモータは双方向なので、モータを励磁維持するのに十分なエネルギーがあれば、モータからドライブDCバスへエネルギーを戻すことが可能です。

ドライブコントローラはDCバス電圧を測定しているため、電圧低下を検出できます。AC電源の短時間瞬断は、コンデンサが放電してDC電圧が低下するため、ディップと同じ効果を持ちます。いくつかの状況が考えられ、詳細な振る舞いは使用中のモータ制御モードに依存します。ここでは、基本的な固定V/f比のシンプルなオープンループ制御を考えます。

電圧が供給喪失検出レベルに達する前に回復した場合、正常運転が継続します。ソフトチャージ回路の恩恵を受けずにコンデンサが再充電されるため、短時間の入力電流サージが発生します。ドライブはこのサージに耐えるよう設計されていますが、複数のドライブが同じブレーカから給電されている場合など、この状況でブレーカが動作することが知られています。

供給喪失ルーチン：

ユーザー選択可能なモードパラメータにより、アプリケーションのニーズに合わせて以下の3つのアクションから選択できます：

1. 何もしない（供給喪失機能無効）
2. 減速停止
3. ライドスルー

オプション1では、モータはフリーラン停止します。電圧が供給喪失検出レベルを下回ってもドライブは何もしません。電圧がさらに低下して低電圧検出レベルを下回ると、ドライブは無効化され、モータはフリーラン停止します。電源が復帰し、ドライブへのイネーブル信号と運転指令がまだ存在していれば、自動再起動を実行します。

オプション2は、複数の協調動作が必要で、ドライブが独立した動作を試みないことが重要な用途で選択されます。電圧が供給喪失検出レベルを下回ると、モータを減速停止させます。モータ減速中に電源が復帰しても、ドライブはモータを停止まで減速し続け、そうでなければ低電圧状態に入りシャットダウンします。

停止到達時の振る舞いに、Control Techniques製品間で以下の違いがあります：

• Unidrive M700および関連製品：モータ停止後、ドライブは無効状態に入り、再運転にはイネーブル信号のトグル（再投入）が必要。
• Unidrive M100〜M400および関連製品：モータ停止後、イネーブル信号と運転指令がまだ存在していれば、ドライブは再起動し、モータ速度を速度指令値まで加速させる。

オプション3は、ドライブを可能な限り独立運転継続させる必要がある用途で選択されます。ドライブはモータ速度設定を制御された方法で低下させ、モータ磁束を維持し、モータと負荷の機械的蓄積エネルギーを速度低下とともにドライブへ回生させます。このエネルギーでモータ励磁電流とドライブ制御回路への電力供給を維持します。エネルギーが尽きる前に電源が復帰すれば、ドライブはモータを設定速度まで加速させます。

ライドスルー成功の可否は、当時の機械的負荷とモータおよび負荷の固有慣性モーメントに明確に依存します。

三相電源のうち1相のみに電圧ディップが発生した場合、回生エネルギーは欠落した相電圧区間の整流器を「埋める」だけで済むため、三相ディップよりもはるかに少ないエネルギーで済み、ライドスルー成功の可能性が最も高くなります。

自動リセット試行回数の制限

希望する回数または無制限に設定可能です。

回転中モータの再起動（フライングスタート）：

これらすべてのオプションで、自動再起動が選択されている場合、「回転中モータの捕捉（フライングスタート）」ルーチンが必要かどうかを検討する必要があります。ドライブがモータ制御を維持している場合（減速停止中やライドスルー中）、これは不要です。しかし、低電圧トリップが発生すると、モータはもはや制御されません。慣性やファンの気流などの外部要因により回転し続ける可能性があります。その場合、フライングスタートアルゴリズムを有効にしないと再起動が失敗する可能性があります。

電圧ディップ、瞬断、ライドスルーに関する規格と要求事項

電気製品の電圧ディップおよび瞬断耐性に関する国際規格およびEU調和規格があります。EUではEMC指令によって法的にカバーされています。その他の地域では、一般的にEMC法令ではなく製品品質の問題と見なされています。相あたり16A以下の機器の試験規格はIEC 61000-4-11（EUではEN 61000-4-11）ですが、この規格は幅広い任意試験レベルを示し、合否基準は示しません。製品規格を参照して正確な要求事項を確認する必要があります。典型的な要求事項は、産業用機器の汎用イミュニティ規格IEC 61000-6-2から引用できます：

機器は、ディップ中およびディップ後に仕様通り動作し、格納データの喪失や破損が生じてはなりません。これは、定格出力電力を供給し続けるという意味での文字通りのライドスルーを要求するものではなく、意図した通りに動作することのみを要求します。この試験の目的は、ディップ/瞬断後にハングアップ状態や格納データ破損などのエラーやバグを見つけることです。この試験をドライブを組み込んだ機械に適用する場合、ドライブを正しく設定して、完全な機械がディップ中およびディップ後に意図した通りに振る舞うことを保証しなければなりません。

相あたり16Aを超える機器には、別の試験規格IEC 61000-4-34があります。この規格は、試験装置の困難さとコストのためほとんど使用されていません。大容量ドライブの振る舞いは、シミュレーションと低容量モデルからのスケーリングにより信頼性高く予測できます。

電源擾乱に関する別の規格は、米国のInformation Technology Industry Council（ITIC）から出されており、IT機器向けに指定されることがあります。試験方法は定義せず、端子電圧の振る舞いのみを定義します。ITICカーブ（旧CBEMAカーブ）は、20ミリ秒までの瞬断での継続動作を示します。これは単相電源のみに適用され、三相には容易には適応できません。

前述の議論から、三相電源の場合特に、負荷を減速させて十分な蓄積エネルギーを回生できれば、ドライブはライドスルーモードでこの要件を満たせる可能性があることがわかります。

図2：ITICカーブ（旧CBEMAカーブ）