可変速ドライブによるエネルギー効率（パート1）

この記事では、制御技術のチーフエンジニアであるColin Hargisが、可変速ドライブのエネルギー効率の問題について考察します。

一部の読者は、ドライブとドライブシステムの効率を制御することを目的とした新しいEU規制がパイプラインにあることに気付くかもしれません。規制はまだ協議中であるため、正式な番号はまだありませんが、ECマンデートM / 476で特定でき、エネルギー関連製品指令（ErP）の協議プロセスでは「ロット30」と呼ばれます。 。協議は現在行き詰まっているようですが、規制を支える技術基準はすでにEN50598-1およびEN50598-2として存在しています。ドライブには、産業用モーターと同じように効率クラスを割り当てる必要があり、ある段階で、最低グレードがEU市場から禁止される可能性があります。メーカーは、ユーザーがアプリケーションの全体的なエネルギー効率を評価できるように、部分負荷損失に関する詳細なデータも提供する必要があります。

規制自体が発効する前に、一部のドライブユーザーは、提案された規制と効率クラスについて詳しく知り、それらが自社の最終製品またはシステムのエネルギー効率に関連しているかどうかを評価することに関心がある場合があります。このブログでは、ドライブシステムの効率の基本について説明します。次では、新しい基準と提案された規制から生じるいくつかの問題について詳しく見ていきます。

可変速ドライブを使用する主な理由の1つは、モーターの速度を調整して、モーターが駆動する最終プロセスの需要に一致させ、エネルギー使用量を最適化することです。 これは、流体（気体および液体）を移動する場合に特に役立ちます。粘性摩擦とは、流体を回路内で移動するために必要な電力が流量の3乗法則として変化することを意味し、流量をわずかに減らすと、使用電力。ダンパー、バルブ、さらには可変ガイドベーンなどの制御方法でも、不要な電力損失が発生します。このアイデアは非常によく知られているので、それについてこれ以上書く必要はありません。利用可能な多くの有用なガイドがあります[例：参考文献1＆2]。ただし、今後の規制を念頭に置いて、主に規制と基準の効果を視野に入れておくために、いくつかの原則を確認することが役立ちます。

ドライブシステムのエネルギー損失

この図は、縮尺どおりではなく、ドライブアプリケーションで電力がどのように消費されるかを大まかに示しています。効率よりも損失の観点から作業するのが最も明確です。すべての段階で、関連するデバイスに電力損失があります。これは通常、定格スループットの割合として表されます。

失われた電力は、通常は周囲の空気の熱として現れます。熱を有効に活用できる場合もありますが、通常は無駄と見なす必要があり、追加の換気やエリアの冷却が必要な場合は、さらにコストがかかる可能性があります。実際の損失はアプリケーション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動アプリケーションの一般的な内訳を表1に示します。各段階でデバイスで発生する損失は、両方の有用なシステム出力の関数であることに注意してください。また、他のすべてのダウンストリームデバイスの累積損失。

この例では、全体的な効率は約56.6％です。最大の損失はアクチュエーターにあり、30％の損失値は空気を動かすためのファンで一般的です。空気は効率的に移動するのが難しい流体であり、最新のポンプでは10％に近い損失が発生する可能性があります。示されているすべての損失は、改善された技術によって減らすことができます。エネルギー効率に注意を払うことは、改善された設計が費用効果が高くなるか、規制によって要求されるにつれて、時間の経過とともにすべてが減少する傾向があることを意味します。

ドライブ損失はリストの中で最小であり、これは大多数のアプリケーションで現実的であることに注意してください。 3％の損失は、他のものと比較してかなり些細なことです。最新のドライブの損失は非常に低く、この主な要因は物理的にコンパクトなユニットへの要望です。つまり、冷却装置（ヒートシンクとファン）のサイズを最小限に抑える必要があるため、損失も最小限に抑える必要があります。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ているため、ドライブデータに基づく3％のヘッドラインドライブ損失は、システム出力の割合として表すと5.1％になります。ドライブをインテリジェントに使用することで、他のデバイスの損失を効果的に削減できることが多く、その結果、ドライブの損失をはるかに超える節約が実現します。ただし、最大負荷状態だけでなく、実際の動作状態を考慮する必要があります。

管理と損失

上記の一般的な損失値は、各デバイスの定格負荷またはスループットで与えられる「ヘッドライン」値です。したがって、これらは、システムが最大の設計出力で動作する場合に関連します。多くのシステムは、需要が変動するため、寿命の大部分を定格負荷未満で動作させるために費やしますが、システムは最大限に設計する必要があります。また、パフォーマンスは通常、最大スループット能力によって判断されるため、サプライヤは、受け入れ試行中に定格出力を提供できなかった場合に顧客がシステムを拒否するリスクを回避するために、コンポーネントのサイズを大きくする傾向があります。したがって、出力を調整する方法を備えた制御システムが必要です。適用される制御技術は、部分負荷効率に大きな影響を与える可能性があります。たとえば、エアダンパーと調整バルブは、ファンまたはポンプの圧力を上昇させ、供給ポイントで必要とされるよりも多くの電力を発生させる必要があるため、非常に高い部分負荷損失を引き起こすことはよく知られています。 。可変速ドライブは、この追加の損失を回避します。

すべてのコンポーネントの効率は、負荷によって変化します。詳細は大きく異なりますが、通常、損失には次の要素があります。

• 出力に依存しない固定損失。これにより、部分負荷効率が低下する傾向があります。
• 部分負荷効率に影響を与えない比例損失。
• 全負荷効率を低下させる傾向がある損失の増加（例：二乗則）。

その結果、通常、最適な効率の出力レベルがあります。たとえば、標準の誘導モーターでは、これは定格の約80％です。より高い出力では、効率はわずかに低下します。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。

可変速電気駆動システムの損失

一般的な状況を要約したので、電気駆動システム、つまりモーターとドライブをより詳細に見ることができます。システムの出力は、トルクと速度の積で構成されるモーターシャフトの機械的動力です。モーターとドライブの両方に、トルクと速度によって変化する損失要素があります。表2は、これらを要約したものです。簡単にするために、電流はトルクに比例すると仮定します。モーターの磁化電流を無視するため、これは単純化です。

速度とトルクの影響を個別に、または組み合わせて考慮する必要があることに注意してください。モーターの抵抗損失は、速度に関係なく、ほぼ完全にトルクに関連しています。これは、ドライブのインバーターステージにも当てはまります。一方、ドライブ入力段整流器の損失は、純粋に電力スループットの関数、つまりトルクと速度の積です。

このかなり複雑な図は、トルクと速度が関連する特定のタイプの負荷を考慮すると簡略化できます。たとえば、静的ヘッドがほとんどないプロセスに供給される単純なポンプまたはファンは、圧力が主に流量の二乗法関数であり、速度の二乗法関数であるトルクを与えます。逆に、コンベヤーシステムなどのプロセスのトルクは、速度にはほとんど依存しませんが、コンベヤーの需要に依存します。これらの2種類の負荷は、それぞれ「可変トルク」および「固定トルク」ドライブアプリケーションと広く呼ばれます。

ドライブとモーターに固有の損失だけでなく、2つの組み合わせの関数である損失もあります。相互依存の主な要因は次のとおりです。

• ドライブによって制御され、モーターに加えられる動作磁束密度は、磁化損失に影響を与えます。 （特定のトルクの抵抗損失にも影響を与えるため、特定のトルクと速度に最適な磁束密度があります。）
• PWMスイッチング、ドライブによって制御され、モーターに追加の損失が発生します
• モーターの力率、モーターによって課せられる無効電流により、ドライブに追加の電流損失が発生します

ドライブの効率に関する単純な標準は、標準化されたモーター負荷を使用して、ドライブのみの損失のみを処理します。有用な標準は、相互依存性に対処し、トレードオフを管理する必要があります。たとえば、選択したPWMスイッチング周波数は、より低い周波数を必要とするドライブとより高い周波数を必要とするモーターの損失を最小限に抑えるという要望のバランスを取る必要があります。また、完全なシステムまたはマシンの設計者が、実際の動作条件の範囲で完全なマシンの損失を計算できるようにする必要があります。

次のブログでは、標準、特にドライブのエネルギー効率クラスを指定するEN 50598-2を詳しく調べ、これらの要件をどのように管理するかを検討します。また、効率を最適化し、特に最初に表示されるよりも重要になる可能性のある部分負荷損失を最適化できる、ドライブで使用可能な機能についても説明します。

参照

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

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