HVAC機器の電源問題のトラブルシューティング

可変周波数ドライブ（VFD）は、排気ファンの速度を変えることができません。モーターが過熱し、早期に故障します。通常問題なく動作するプログラム可能な制御は、待機電力で動作しているときに突然問題が発生します。冷水システムでVFDが明白な理由なしにトリップし、高温アラームが発生します。回路ブレーカーが作動し、システムがシャットダウンします。それでも、クランプメーターの読み取り値は、再起動後にシステムに異常な電流が流れていないことを示しています。

HVACシステムのトラブルシューティングの問題にはそれぞれ固有の状況がありますが、保守の専門家は、電力品質の問題の可能性などの問題を認識する場合があります。

本当の原因を探す
電子機器は、最新の制御システムの基盤です。プログラム可能な制御、ソリッドステートリレー、センサー、トランスデューサー、ファンと冷水ポンプの可変周波数ドライブ、およびアクチュエーターの電子制御はすべて、古い純粋な電気機械制御にはなかった問題の影響を受けやすくなっています。これらの問題は、多くの場合、HVAC機器に供給される電圧と電流の品質の結果です。 「電力品質」が悪いとは、指定されたパラメータを満たさない電力です。

すべての形式のHVACトラブルシューティングと同様に、技術者は潜在的な問題の原因を理解して解決する必要があります。原因不明の問題は、電子機器の故障が原因であることがよくあります。
ただし、本当の原因は電子機器にあるとは限りません。

虚偽または欺瞞的な手がかり
たとえば、VFDが適切に排出量を変化させない場合（空気ファンの速度は、VFDで開始されたDDCオーバーライドから、故障した静圧センサー、過度のダクト漏れまで、さまざまなシステムの問題の結果である可能性があります。初期障害の原因がVFD自体にあることはめったにありませんが、VFDが実際に他のシステムの問題を引き起こしている可能性があります。モーターの過熱、回路ブレーカーの妨害トリップ、または原因不明のヒューズの溶断が発生し、デジタル制御システムの他の場所で誤ったアラームが発生する可能性があります。これらはすべて通常のVFD動作の特徴である可能性があるため、技術者は常に問題を原因までさかのぼって追跡する必要があります。

ある例では、ファンが供給するVFDは、電力が通常の電源からスタンバイ電源に転送されたときに、チラーシステムで誤ってトリップしていました。その結果、冷却が不十分なため、付属の機器で高温アラームが発生しました。 VFDは、システム内の一定量の電圧遮断を乗り切るように設計されています。ただし、そのような障害のVFD仕様を超えると、VFDはシャットダウンします。

この場合、電子ドライブに障害があると最初に考えられました。ただし、VFDの動作パラメータを調査し、システム電源の転送中の電圧と電流の値を記録すると、問題の真の原因が明らかになりました。転送スイッチの時間が長すぎて、VFDの動作をサポートできないことがよくありました。

別のケースでは、VAV端末のVFDは、スタンバイ電源から電力が供給されるとオフラインになります。問題は、スタンバイ発電機がVFDを操作するのに十分な電力品質を提供できないことであることが判明しました。待機電力時の電圧変動により、VFDがトリップしました。解決策は、待機電力時にVFDをバイパス操作にして、電子可変速度制御をバイパスすることでした。

電力品質の問題の根本
電子機器は、交流を取り込んで直流に変換し、電子部品で使用することで動作します。このプロセスにより、システムに逆流する高調波電流が生成されます。これらの高調波電流は過熱を引き起こし、電子機器の上流の正弦波を歪ませる可能性があります。

高調波電流は、基本波60ヘルツ（Hz）周波数の倍数で現れる電流です。たとえば、3次高調波は180 Hz（60 x 3）で流れる電流です。 5次高調波は、300 Hz（60 x 5）で流れる電流です。

高調波の測定方法
技術者は、さまざまな高調波のレベルと発生する歪みの量を測定して、高調波が問題を引き起こしているかどうかを判断します。電力品質アナライザーを使用して、高調波レベルと歪みを測定します。重要な測定値は、電圧の全高調波歪み（THD）です。

指示に従ってアナライザーを設定し、メーター面でTHDを直接読み取ります。 VFDを供給するフィーダーが他の負荷も供給しているポイントで測定した場合、THDは5パーセントを超えてはなりません。これが共通結合（PCC）のポイントです。

電圧のTHDが制限を超える場合は、VFDの製造元に相談して最適なソリューションを決定してください。これには、ラインリアクトルまたは絶縁変圧器の設置が含まれる場合があります。電力品質アナライザーの使用法を学ぶことは難しくありません。そのような努力は、通常、HVACシステムのダウンタイムのコストをはるかに上回ります。

モーターの故障
HVACシステムで発生するもう1つの電力品質の問題は、モーターの故障、特にVFDによって供給されるものです。モーターが多くのアプリケーションで一般的な低速で動作する傾向がある場合、この故障率は増加する可能性があります。多くの場合、故障には、過熱、絶縁破壊、またはベアリングの早期故障が含まれます。

このような障害はすべて、VFDの通常の動作特性に起因する可能性があります。電子ドライブは、モーターへの電圧と周波数を変化させて、モーターの速度を変化させます。残念ながら、高調波電流もモーターに供給されるため、過熱する可能性があります。モーターに供給されるこの「パルス幅変調」電圧と電流も絶縁を損傷し、早期の故障とモーターの故障を引き起こす可能性があります。電流はモーターベアリングにも流れる可能性があり、モーターベアリングの寿命を大幅に短縮します。

これらすべての問題に対する最善の解決策は、可変周波数ドライブで使用するために特別に設計されたインバーターデューティ定格のモーターを使用することです。

電圧の不均衡
VFDによって供給されない三相モーターも、別の電力品質の問題、つまり電圧の不均衡が原因で故障する可能性があります。わずか1％の不均衡な相電圧は、6〜10倍のモーター電流の不均衡を引き起こす可能性があります。このような過剰な量の電流が流れると、すぐにモーターが過熱する可能性があります。

不平衡を判断するには、A-B、A-C、およびB-Cの各相の相間電圧を測定します。 3つの読み取り値を合計し、3で割ります。これは、相間電圧の平均です。 3つの個別の測定値のいずれかが平均から1％以上変動する場合は、電圧の不均衡があります。

5％の電圧不平衡では、モーターは通常過熱して破壊されます。一般に、問題は、1つの個別の相によって供給される単相負荷が多すぎることです。問題を修正するには、これらの負荷をパネルボードのフェーズ間で均等に分散させる必要があります。

一般的なガイドライン
すべてのHVAC電気および電子機器には、電源パラメータが指定されています。それらを満たさない場合は、機器が計画どおりに動作しないことを確認するだけです。ファン駆動のVAV端子は、特定の電源要件を持つ機器の典型的な例です。

この機器の動作が不安定な場合は、電源パラメータが満たされていることを確認してください。このような機器の場合、AC入力電圧は定格周波数で定格電圧の10％以内に収まる必要があります。銘板には、機器の定格電圧が表示されます。たとえば、定格が208ボルトの機器には、187 V〜229Vの供給電圧が必要です。機器のトラブルシューティング時に低電圧を見つけることは珍しくありません。

ツール
電圧と電流の値を測定するときは、真のrmsメーターを使用することも重要です。今日の最新のHVACシステムは、高調波電流を生成するだけでなく、そのような高調波によって生成される正弦波の歪みのために不適切に動作する可能性があります。多くのHVAC技術者が使用する平均応答メーターは、高調波が存在する場合、正確な測定値を提供しません。

平均応答メーターは、高調波が存在しない場合の60Hzでの正弦波形の電流と電圧を読み取ります。 VFDなどの非線形負荷は、さまざまな周波数で非正弦波形と電流および電圧を生成します。これらの供給回路の値を読み取るには、適切なメーターを使用する必要があります。真のrmsメーターのみが正しい測定値を示します。

供給電圧
供給電圧が低電圧仕様を下回る場合、HVAC機器で2つの問題が発生する可能性があります。まず、モーターが過剰な電流を引き込んで、より低い電圧で必要な馬力を生成するため、モーターの寿命が短くなります。第二に、電子制御装置の電源部分には、フィルタリング回路のコンデンサを充電するのに十分な電圧がないため、電子機器は適切に機能しません。

通常はわずか5ボルトのDCで動作する電子部品は、低い入力電圧の影響を大きく受けます。低入力電圧の重大度に応じて、不安定な動作とスプリアスアラームが予想されます。また、真の二乗平均平方根メーターがないと、実際の供給電圧を正確に把握できない可能性があることを忘れないでください。

また、AC電源は、一般的なVAV端子の定格電圧で定格周波数の5％以内である必要があります。一般に、これは商用電源で動作する場合は問題になりません。ただし、HVACの専門家は、スタンバイ発電機で動作しているときの電圧と周波数の両方に関する多くの問題を報告しています。 HVACシステムに必要なすべての電源のすべての入力電源仕様を必ず確認してください。

追加の機器メーカーの要件は、「周波数変動が定格周波数の5％を超えない限り、電源は定格値の10％（絶対値の合計）の電圧と周波数の合計変動を満たす必要がある」というものです。繰り返しになりますが、待機電力で動作している場合、機器はこの問題を示す可能性が最も高くなります。待機電力で動作しているときの制御の問題を安定させるために、いくつかのオプションが利用可能です。これには適切なシステムエンジニアや技術者との協力が必要ですが、最初のステップは、制御の問題が不安定な待機電力にあるという主張を裏付けるために、正確な読み取り値を確保することです。

まとめ
HVACのトラブルシューティングの問題の多くは、ヒューズのチェック、接触器での電圧の存在のテスト、電流の流れがモーターの銘板データを超えていないことの確認などの日常的なタスクによって引き続き解決されます。ただし、電子制御とVFDを含むシステムでは、電力品質の問題が原因で問題が発生します。

今日、多くのHVAC専門家は、スキルと知識をこの分野に拡大しています。 HVACおよび建物システムで使用される制御が多いほど、電力品質の問題が発生します。時間の経過とともに電気的パラメータを記録するtrue-rmsメーターとアナライザーを使用すると、電力品質の問題の切り分けと修正が大幅に強化されます。適切な知識と適切なツールを組み合わせることで、メンテナンスの専門家が今日のHVACシステムに関連する多くの問題を解決するのに大いに役立ちます。

詳細については、フルーク・コーポレーションのWebサイト（www.fluke.com）にアクセスしてください。