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1部）

この記事では、Control TechniquesチーフエンジニアのColin Hargisが、可変速ドライブにおけるエネルギー効率の問題を考察します。

一部の読者は、ドライブとドライブシステムの効率を規制する新しいEU規制が進行中であることをご存知かもしれません。規制はまだ協議中で正式な番号はありませんが、ECマンデートM/476を通じて特定でき、エネルギー関連製品指令（ErP）の協議プロセスで「ロット30」と呼ばれています。協議は現在停滞しているようですが、規制を支える技術規格はすでにEN 50598-1とEN 50598-2として存在します。意図は、ドライブに産業用モータと同様の効率クラスを割り当て、将来的に最低グレードをEU市場から排除する可能性があることです。メーカーはまた、部分負荷損失に関する更なるデータを提供し、ユーザーが自社アプリケーションの全体エネルギー効率を評価できるようにしなければなりません。

規制自体が発効する前に、一部のドライブユーザーは提案規制と効率クラスについてより深く学び、自社エンド製品やシステムのエネルギー効率に関連するか評価したいかもしれません。このブログではドライブシステム効率の基本原則を見ていきます。次回では、新規格と提案規制から生じる問題をより詳細に検討します。

可変速ドライブを使用する主な理由の一つは、エンドプロセスの需要に合わせてモータ速度を調整し、エネルギー使用を最適化することです。 これは特に流体（気体と液体）移送で価値があります。粘性摩擦により、回路を流体を循環させるために必要な電力が流量の3乗則で変化するため、流量をわずかに減らすだけで使用電力を大幅に削減できます。ダンパー、バルブ、可変ガイドベーンなどの制御方法も、不必要な電力損失を生じます。この考えは非常によく知られており、これ以上多く書く必要はありません。多くの有用なガイドがあります（例：参考文献1、2）。しかし、今後の規制を念頭に、主に規制と規格の効果を適切な視点で捉えるために、いくつかの原則を再確認しておくことは有益です。

ドライブシステムのエネルギー損失

図（スケール不定）は、ドライブアプリケーションでの電力消費の大まかな内訳を示します。損失の観点から考えるのが最も明確です。各段階で、関連デバイスの定格スループットに対する割合として、一般的に電力損失があります。

（図：ドライブシステムの電力フローと損失内訳）

失われた電力は熱として現れ、通常は周囲の空気へ放出されます。時々熱を有効利用できますが、通常は廃棄と見なされ、さらなる換気や冷却が必要なら追加コストさえ発生し得ます。実際の損失は用途によって大きく異なりますが、最大出力で動作する空気移送アプリケーションの典型的な内訳を表1に示します。各段階で、デバイスで発生する損失は、有用なシステム出力と、下流すべてのデバイスの蓄積損失の両方の関数です。

表1：空気移送アプリケーションの典型的損失内訳（最大出力時）

この例では、全体効率は約56.6%です。最大の損失はアクチュエータで、空気移送用ファンでは30%損失が典型的です。空気は効率的に移送しにくい流体で、最新ポンプなら損失10%程度に近づけられます。示されたすべての損失は、改良技術で削減可能で、エネルギー効率への注目により、改良設計がコスト効果的になったり規制で要求されたりするにつれ、すべて時間とともに削減傾向にあります。

ドライブ損失がリスト中最小であり、これは大多数のアプリケーションで現実的です。3%の損失は他と比較して些細です。最新ドライブは損失が非常に低く、その主な駆動力は物理的にコンパクトなユニットへの要求です。冷却デバイス（ヒートシンクとファン）を最小化しなければならないため、損失も最小化しなければなりません。ドライブの電力スループットには他のすべての損失が含まれるため、ドライブデータに基づく3%の損失は、システム出力に対する割合で5.1%になります。ドライブのインテリジェントな使用により、他デバイスの損失を有用に削減でき、ドライブ自体の損失をはるかに超える節約が可能です。しかし、最大負荷条件だけでなく、実際の運転条件を考慮しなければなりません。

制御と損失

上記の典型的損失値は、各デバイスの定格負荷またはスループットでの「見出し」値です。したがって、システムが最大設計出力で動作するときに関連します。多くのシステムは、需要が変動するが最大に対応する設計でなければならないため、人生の大部分を定格負荷以下で過ごします。また、性能は通常最大スループット能力で判断されるため、サプライヤーは受入試験で定格出力を届けられないリスクを避けるため、コンポーネントをオーバーサイズする傾向があります。したがって制御システムが必要で、出力調整の方法を持ちます。適用される制御手法は、部分負荷効率に大きく影響します。例えば、エアダンパーと調整弁は、ファンやポンプでの圧力上昇を招き、納入点で必要以上の電力を開発させるため、かなり高い部分負荷損失を生じることはよく知られています。可変速ドライブはこの追加損失を回避します。

すべてのコンポーネントの効率は負荷に応じて変化します。詳細は大きく異なりますが、一般的に損失には以下の要素があります：

• 出力に依存しない固定損失。部分負荷効率を低下させる傾向。
• 出力に比例する損失。部分負荷効率には影響しない。
• 上昇する損失（例：2乗則）。フル負荷効率を低下させる傾向。

結果として、通常最適効率出力レベルが存在します。例えば標準誘導モータでは定格の約80%付近です。これより高出力では効率はわずかに低下します。より低出力では効率も低下しますが、実際の電力損失も低下します。

可変速電気ドライブシステムの損失

一般的な状況をまとめた後、電気ドライブシステム、すなわちモータとドライブをより詳細に見ます。システム出力はモータ軸の機械的電力で、トルクと速度の積です。モータとドライブの両方に、トルクと速度で変化する損失要素があります。表2にこれらをまとめます。簡単のため、電流はトルクに比例すると仮定します。これはモータ励磁電流を無視する簡略化です。

表2：モータとドライブの損失要素（トルクと速度依存性）

速度とトルクの効果を個別にも組み合わせても考慮しなければならないことに注意してください。モータの抵抗損失は速度に関わらずほぼトルクのみに関連し、これはドライブのインバータ段も同様です。一方、ドライブ入力段整流器の損失は、電力スループット、すなわちトルクと速度の積のみの関数です。

このやや複雑な図は、トルクと速度が関連する特定負荷タイプを考慮するとシンプルになります。例えば、静圧頭が少なく圧力が流量の2乗則で決まるプロセスに供給するシンプルなポンプやファンでは、トルクが速度の2乗則になります。逆にコンベアシステムのようなプロセスでは、トルクは速度にほぼ依存せず、コンベアへの需要に依存します。これら2つの負荷タイプは、広く「可変トルク」と「定トルク」ドライブアプリケーションと呼ばれます。

ドライブとモータを個別に見た固有損失に加え、両者の組み合わせによる損失があります。相互依存の鍵となる要因は：

• 動作磁束密度。ドライブで制御されモータに課され、励磁損失に影響。（また、与えられたトルクと速度に対する最適磁束密度が存在し、抵抗損失にも影響。）
• PWMスイッチング。ドライブで制御され、モータに追加損失を生じさせる。
• モータ力率。モータが課す無効電流が、ドライブに追加電流損失を生じさせる。

ドライブ単体の効率シンプルな規格は、標準化モータ負荷を用いてドライブ単体の損失のみを扱います。有用な規格は、相互依存を扱いトレードオフを管理しなければなりません。例えば、選択されたPWMスイッチング周波数が、ドライブ損失最小化のために低周波数を望むことと、モータ損失最小化のために高周波数を望むことのバランスを取らなければなりません。また、完全なシステムや機械の設計者が、実用的な運転条件範囲での完全機械の損失を計算できるようにしなければなりません。

次回ブログでは、特にドライブのエネルギー効率クラスを規定するEN 50598-2などの規格をより詳細に見ます。それらがこれらの要件をどう管理しているかを考察します。また、ドライブで利用可能な効率最適化機能、特に一見些細に見える部分負荷損失の最適化についても見ていきます。

参考文献

[1] https://www.carbontrust.com/media/13063/ctg070_variable_speed_drives.pdf

[2] https://www.gambica.org.uk/resourceLibrary/CEMEP_guide_to_energy_efficiency_with_electric_drive_systems.html