可変速ドライブでエネルギー効率を最大化－エキスパートガイド（第2部）

このブログシリーズ第2部では、Control Techniquesチーフエンジニアが、可変速ドライブを用いた更なるエネルギー効率向上について深く掘り下げます。

前回は、ドライブとそのアプリケーションの効率の概要、および与えられたアプリケーションにおける速度とトルクの組み合わせパターンによってどう影響されるかを概観しました。ここでは、提案されているEU規制と関連規格が、性能基準とデータ提供を設定することで、エンドアプリケーションのエネルギー効率をどう改善しようとしているかを見ていきます。これには、ドライブの新しいIEクラス定義も含まれます。

ドライブ効率に関する規格と提案EU規制

将来の規制の出発点として作成された一連の欧州（CENELEC）規格があります。EN 50598パート1〜3 [1]です。これらは、モータで利用可能な国際規格（IEC）の基準として、適切な時期に採用される可能性が高いです。EU規制では、EN 50598-2のIEクラス定義を使用する見込みです。

この規格群のうち、パート3は一般的な環境配慮設計を扱い、製品に使用される材料と最終廃棄時の環境影響に重点を置きます。これは本ブログの範囲外です。パート1は、モータとドライブを組み込んだ完全なシステムの設計を扱います。製品規格が必然的に個別製品のエネルギー効率に適用されるのに対し、実際の目的はエンドアプリケーションでのエネルギー最適利用を確保すること、個別パーツ単体ではないという課題に対処することを目的としています。前回ブログで扱った課題をより詳細に説明し、パート2でより詳細に定義されるドライブデータを使用して、完全システムのエネルギー効率を評価する方法論を定めています。パート1は、特定エンドアプリケーションのエネルギー効率に取り組む技術委員会向けです。これは「拡張製品アプローチ」（EPA）と呼ばれます。パート1にはシステム設計者向けの有用なチュートリアル資料が含まれます。

パート2はEN 50598-2と呼ばれ、ドライブのエネルギー効率指標であるIEクラスを定め、将来の規制の基礎となる見込みです。規制[2]は、EU市場に上市されるドライブ製品に適用されます。前述の通り、ドライブのエネルギーインパクトは、最終アプリケーションの他コンポーネントでの大幅な省エネを可能にするため、自らのエネルギー消費（損失）をはるかに超えます。規制は多様な最終アプリケーションを予見できないため、ドライブメーカーが購入者に提供しなければならないデータを定義することを目的とします。このデータが「準解析モデル」を形成し、EPAで使用されます。

規制と規格の策定グループは、ドライブを適切な用途で使用するメリットが損失をはるかに上回ることを熟知しており、規格をシンプルで実用的に保つことを目指してきました。かなり長い文書ですが、多くは損失源と使用すべき数学モデルの詳細な説明です。このテーマに関心があれば一読をお勧めします。

まとめると、規格ではドライブメーカーは以下を提供しなければなりません：

• ドライブのエネルギー効率クラス（IE0〜IE2範囲）。これは、定格トルク生成電流と定格出力周波数の90%という1つの特定動作点での損失に基づきます。PWMスイッチング周波数は、90kWまでの定格で4kHz、90kW以上で2kHzに固定されます。基準損失（IE1クラスを定義する）はインバータ定格に依存しますが、5〜75kW範囲では見かけ出力電力の約5%です。IE2クラス損失はIE1の約半分です。
• 以下の9つのトルク生成電流と出力周波数の組み合わせマトリックスでの電力損失データ：

（表：トルク電流と周波数の9ポイントマトリックス）

規制では、IE0クラスドライブのEU販売禁止、おそらくIE1クラスの段階的禁止が設定される見込みです。規格には将来的なIE2超えクラスの規定もありますが、それ以上を目指すメリットは小さいです。

要求されるマトリックスデータの目的は、ユーザーがアプリケーション固有のトルク/速度特性と負荷パターンを考慮して、アプリケーションのエネルギー損失を予測できるようにすることです。これは前回ブログで議論し、EN 50598-1でも説明されています。

ドライブシステムのエネルギー効率向上のための実践的手法

プロセス全体の理解

エネルギー効率を最適化する上で、圧倒的に最も重要なのは、制御機能を正しく設計し、プロセスを最適化して、出力が何であれ、必要なときに必要なだけ利用可能にし、過剰を排除することです。ドライブシステム設計者の主なスキルは、全体プロセスを十分理解し、モータ速度と/またはトルクがプロセスに適切に設定されることを保証することです。前回ブログの表1から、この例ではモータとドライブの損失が出力の20.7%に過ぎず、伝達装置とアクチュエータで56%を占めることがわかります。10%のモータ損失は、約7.5kWの最新IE3クラスモータで典型的で、これ以上の改善は困難です。ドライブ損失は些細です。しかし、ドライブエンジニアはシステム全体の改善機会を見つけられるかもしれません。モータとアクチュエータをマッチングさせ、変速伝達装置を不要にした新設計を考えてみましょう。これはドライブのベース速度変更能力によって可能になるかもしれません。その場合、表1は以下のようになります：

（表：伝達装置を排除した場合の損失内訳）

効率は56.5%から67.9%に向上し、損失は出力の76.7%から47.3%に削減されました。

ここでは、商用電源周波数とモータ極数で決まる限られたベース速度から脱却するため、ドライブの能力を活用しました。ドライブにはプログラマブル制御機能もあり、各種プロセスセンサからの入力を用いて、システムの実運転条件に合わせて速度を最適化できます。さらに、ドライブは実際の負荷に応じてモータの動作条件を最適化することもできます。

モータ制御の最適化－磁束密度

IE3クラス4極モータの全負荷損失は、0.75kW定格で14.5%、185kW以上で3.8%の範囲で変動します。広く使用されエネルギー集約的な5.5〜55kW範囲では約6%です。ここでは更なる改善の余地はなさそうです。損失の大半は作業電流に関連する銅（導体）損失で、ドライブ機能では改善できません。高負荷での最良の改善策は、永久磁石モータを使用し、モータ力率（cos φ）を1に近づけ、電流を削減することです。

しかし、モータの固定損失を再検討する価値があります。定格トルクを大幅に下回るトルクで運転されるアプリケーションが大量に存在するためです。ファン/ポンプ用途で通常出力が最大より低い場合、または定トルク用途で通常トルクが最大より低い場合です。このとき、作業電圧でのモータ磁束密度は必要トルク達成に必要以上に高く、磁気鋼の固定損失を、電圧を下げて磁束密度を低減することで削減できます。

可能性を概算するため、通常定格速度50%、定格トルク25%で運転されるファン用途を例に取ります。電力はわずか12.5%です。モータ磁気固定損失は定格の2%で些細に見えます。しかし、これは通常電力消費の16%に相当します。電流を大幅に増やさずに電圧を最大50%下げられれば、固定損失を消費電力の約4%まで削減可能です。損失削減は定格電力に対して小さいですが、オーナーの電気代を決める実際の平均運転電力に対しては有意になります。

可変トルク用途でのモータ磁束密度制御の伝統的手法は、2次V/fモードで、V/f比が磁束密度を決めます。負荷が真に2次（トルク∝速度²）で、負荷トルク過渡がないなら、これはうまく機能します。

定トルク用途では、Control TechniquesのダイナミックV/f機能が非常に効果的です。これはモータ電流に能動的に電圧を適応させます。負荷トルク/速度特性について仮定せずに、負荷トルク低下時に効果的かつ自動的に磁束弱めを行える利点があります。しかし、負荷トルク急増時にも素早く反応し、磁束を速やかに高めてモータストールを防ぎます。

モータ制御の最適化－スイッチング周波数

インバータドライブのPWMスイッチングは、負荷にほぼ無関係な、つまり追加の固定損失としてモータ損失を増加させます。スイッチング周波数が高いほどモータの追加損失は低下しますが、インバータの電流依存スイッチング損失は増加します。フル負荷では、EN 50598-2策定時の研究で、90kW未満ではスイッチング周波数約4kHzでIE3モータとドライブの総合効率が最良になることが示され、曲線はかなり緩やかです。これが規格での損失測定をこれらのスイッチング周波数で行う理由です。

図1は、小型モータとそのドライブの損失がスイッチング周波数変化でどう変わるか、フル負荷（FL）と半負荷（HL）で示します。

図1：スイッチング周波数によるモータとドライブ損失の変化（FL/HL）

この例では、フル負荷での最適スイッチング周波数は約5kHz、半負荷では約7kHzです。ドライブ損失が同一周波数で部分負荷では低いためです。モータ電流に応じてスイッチング周波数を適応させるドライブは、部分負荷効率を改善でき、運転時間の大半を部分負荷で過ごすアプリケーションで価値があります。

Control Techniques Unidrive Mドライブには、自動スイッチング周波数適応機能があります。ユーザー指定の最高スイッチング周波数で可能な限り動作し、ドライブ損失が過大になると低下させます。これにより、モータのスイッチング損失を最小化しつつ、それによる過大なドライブ損失を防ぎます。