可変速ドライブによるエネルギー効率（パート2）

このブログシリーズの第2部では、Control Techniquesのチーフエンジニアが、可変速ドライブを使用してエネルギー効率を向上させる方法について詳しく説明します。

以前のブログでは、ドライブとそのアプリケーションの効率の概要と、特定のアプリケーションでの速度とトルクの組み合わせのパターンによってドライブがどのように影響を受けるかについて説明しました。ここで、提案されているEU規則とそれに関連する基準が、パフォーマンスとデータの提供に関する基準を設定することにより、エンドアプリケーションのエネルギー効率をどのように改善しようとしているのかを見ていきます。これには、ドライブ用に提案された新しいIEクラスが含まれます。

駆動効率に関する基準と提案されているEU規制

将来の規制の可能性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。これは、EN50598パート1から3です[1]。これらは、モーターで利用できるように、やがて国際規格（IEC）の基礎として使用される可能性があります。 EU規則では、EN50598-2のIEクラス定義を使用する可能性があります。

この標準ファミリのうち、パート3では、製品に使用されている材料と最終的な廃棄による環境への影響に重点を置いて、一般的に環境に配慮した設計を扱います。それはこのブログの範囲外です。パート1では、モーターとドライブを組み込んだ完全なシステムの設計について説明します。これは、個々の部品を個別に使用するのではなく、最終用途でエネルギーを最大限に活用することを実際の目的とする場合に、単独で使用する特定の製品のエネルギー効率に必然的に適用される製品基準の課題に対処することを目的としています。前回のブログで取り上げた問題について詳しく説明し、パート2でより詳細に定義されているドライブのデータを使用して、システム全体のエネルギー効率を評価するための方法論を示します。パート1を対象としています。特定の最終用途のエネルギー効率に取り組む技術委員会によって使用されます。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、システム設計者にとって役立つチュートリアル資料が含まれています。

パート2はEN50598-2と呼ばれ、将来の規制の基礎となる可能性が高いドライブ、IEクラスのエネルギー効率指標を提供します。規制[2]は、EUで市場に出される製品としてのドライブに適用されます。ドライブのエネルギーへの影響は、最終的なアプリケーションの他のコンポーネントで大幅なエネルギー節約を可能にするため、ドライブ自体のエネルギー消費（損失）をはるかに超えることを以前に見てきました。この規制は、さまざまな最終用途を予測できないため、ドライブの製造元が購入者に提供する必要のあるデータを定義することを目的としています。このデータは、EPAに使用される「半分析モデル」を形成します。

規制と規格の作成を担当するグループは、適切な場所でドライブを使用することによるエネルギーの利点が損失をはるかに上回っていることを十分に認識しており、規格をシンプルかつ実用的に保つことを目指しています。これは非常に長い文書ですが、資料の多くは、損失の原因と使用される数学モデルの詳細な説明です。このテーマについてさらに詳しく知りたい場合は、この記事を読むことをお勧めします。

要約すると、規格によれば、ドライブの製造元は以下を提供する必要があります。

• IE0からIE2の範囲のドライブのエネルギー効率クラス。これは、定格トルク生成電流と定格出力周波数の90％での特定の動作点での損失に基づいています。 PWMスイッチング周波数は、最大90kWの電力定格および90kWを超える2kHzの場合、4kHzに固定されています。ベースラインIE1クラスを定義する「基準損失」は、インバータの定格によって異なりますが、5 kW〜75 kWの範囲の定格の場合、見かけの出力電力の約5％になります。 IE2クラスの損失はIE1の約半分です。
• トルク生成電流と出力周波数の次の9つの組み合わせのマトリックスでの電力損失を示すデータ：

規制により、EUでのクラスIE0ドライブの販売が禁止され、クラスIE1ドライブの禁止のタイムスケールが設定される可能性があります。この標準には、IE2を超える可能性のある将来のクラスのプロビジョニングが含まれていますが、さらに進んでみてもほとんどメリットはありません。

必要なデータマトリックスの目的は、前のブログで説明し、EN 50598-でも説明したように、特定のトルク/速度特性と負荷のパターンを考慮して、ユーザーが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。 1.

駆動システムのエネルギー効率を改善するための実用的な方法

完全なプロセスを理解する

エネルギー効率を最適化するために、速度制御アプリケーションの最も重要な側面は、プロセスが最適化され、出力が必要に応じて過剰に利用できないように、制御機能を正しく設計することです。ドライブシステム設計者の主なスキルは、モーターの速度やトルクがプロセスに適切に設定されていることを確認するために、プロセス全体を十分に理解することです。前のブログの表1から、この例では、モーターとドライブの損失は出力の20.7％にすぎないのに対し、トランスミッションとアクチュエーターの損失は56％であることがわかります。 10％のモーター損失は、定格が約7.5 kWの最新のIE3クラスのモーターに典型的なものであり、これを大幅に改善することは困難です。ドライブの損失はかなり些細なものです。ただし、ドライブエンジニアは、システム全体を改善する機会を見つけることができる場合があります。モーターとアクチュエーターが一致し、速度を変えるトランスミッションが不要な新しい設計を見てみましょう。これは、ドライブ機能を使用してモーターの基本速度を変更することで可能になる場合があります。その場合、表1は次のようになります。

効率が56.5％から67.9％に向上し、損失が出力の76.7％から47.3％に減少しました。

この場合、ドライブの機能を使用して、主電源周波数とモーターの極数によって決定される制限された数の基本速度から離れます。ドライブにはプログラム可能な制御機能もあるため、さまざまなプロセスセンサーからの入力を使用して、システムの実際の動作条件に合わせて速度を最適化できます。最後に、ドライブは、実際の負荷に応じて、モーターの動作条件を最適化するように機能することもできます。

モーター制御の最適化–磁束密度

IE3クラスの4極モーターの全負荷損失は、定格が0.75 kWの場合は14.5％から、定格が185 kWを超える場合は3.8％の範囲で変化します。広く使用され、エネルギーを大量に消費する5.5 kW〜55kWの範囲では、約6％です。ここでは、さらなる改善の余地はあまりないようです。損失の大部分は、動作電流に関連する銅（導体）損失であり、ドライブ機能によって改善することはできません。高負荷での改善の最善の範囲は、永久磁石モーターを使用して、モーターの力率（cos f）を1に近づけ、電流を減らすことです。

ただし、動作トルクが定格値を大幅に下回ることが多いアプリケーションのクラスが大きいため、モーターの固定損失をもう一度確認する価値があります。これは、通常の供給が可能な最大値よりも小さいファンまたはポンプのアプリケーション、またはトルクが通常可能な最大値よりも小さい定トルクアプリケーションの場合があります。その場合、動作電圧でのモーターの磁束密度は、必要なトルクを達成するために必要なものよりも高く、供給電圧を下げて磁束密度を下げることにより、磁性鋼の固定損失を減らすことができます。

可能性の大まかなアイデアを得るには、たとえば、通常50％の定格速度と25％の定格トルクで動作するファンアプリケーションを考えてみましょう。したがって、電力はわずか12.5％です。モーターの磁気固定損失は定格の2％ですが、これは些細なことのようです。ただし、これは実際には通常の消費電力の16％です。電流を大幅に増加させることなく、電圧を最大50％下げることが可能であり、その結果、固定損失が消費量の約4％に減少します。損失の減少は定格電力に比べるとわずかですが、所有者の電力料金を決定する実際の平均運転電力に比べると大幅に減少します。

可変トルクアプリケーションでモーター磁束密度を制御する従来の方法は、2次V / Fモードです。このモードでは、比率V/Fがモーター磁束密度を決定します。負荷が真に二次である場合、つまりトルクが速度の2乗に比例し、負荷トルクの過渡現象がない場合、これは適切に機能します。

定トルクアプリケーションの場合、制御技術の動的V/F機能は非常に効果的です。これは、電圧をモーター電流に積極的に適応させることによって機能します。負荷のトルク/速度特性を想定せずに、負荷トルクを下げると磁束が効果的かつ自動的に弱まるという利点があります。ただし、負荷トルクが急激に増加すると、反応が速くなり、磁束が急速に増加するため、モーターが停止する可能性は低くなります。

モーターコントロールの最適化–スイッチング周波数

インバータ駆動のPWMスイッチングにより、負荷にほとんど依存しないモーターの損失が増加します。つまり、追加の固定損失になります。スイッチング周波数が高いほど、モーターの追加損失は低くなりますが、インバーターの電流依存スイッチング損失は高くなります。全負荷で、EN 50598-2の開発で実施された調査によると、90 kW未満では、スイッチング周波数が約4 kHzのときに、IE3モーターとドライブを合わせた定格負荷での最高の全体的な効率が得られます。浅い。これが、標準の損失測定がこれらのスイッチング周波数で行われる理由です。

図1は、全負荷（FL）と半負荷（HL）の両方で、スイッチング周波数が変化したときの小型モーターとそのドライブの損失の例を示しています。

この例の全負荷での最適なスイッチング周波数は約5kHzですが、半負荷では約7 kHzです。これは、特定の周波数での駆動損失が部分負荷で低くなるためです。スイッチング周波数をモーター電流に適合させるドライブは、部分負荷効率を向上させることができます。これも、部分負荷に多くの時間を費やすアプリケーションで価値があります。

制御技術UnidriveM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。ドライブは、可能な限りユーザーが指定した最高​​のスイッチング周波数で動作しますが、ドライブ損失が高くなりすぎると低下します。これは、過度のドライブ損失が発生しない限り、モーターのスイッチング損失が最小限に抑えられることを意味します。