可変周波数ドライブ (VFD) は、AC モーターの速度とトルクを制御するために使用される電子デバイスです。モーターに供給される周波数と電圧を変更して、モーターが機械の実際の要件に従って動作できるようにします。
多くの産業システムでは、モーターをフルスピードで連続的に動作させる必要はありません。ポンプは異なる流量を維持する必要がある場合があり、ファンは変化する空気需要に対応する必要があり、コンベアは制御された加速が必要な場合があります。 VFD を使用すると、モーターは 1 つの固定速度で動作するのではなく、その出力をプロセスに一致させることができます。
IFIND が提供する VFD ソリューション。 ポンプ、ファン、機械、エレベーター、繊維機器、印刷システム、その他の産業用途向けの
VFD は可変周波数ドライブの略です。一般に、AC ドライブ、可変周波数ドライブ、可変速ドライブ、または周波数インバータとも呼ばれます。
これらの用語は一般に、AC モーターに供給される電力の周波数を変更する装置を指します。モーター速度は供給周波数に関連しているため、出力周波数を変更することでドライブはモーター速度を調整できます。
AC モーターの同期速度は、次の式を使用して推定できます。
同期速度 = 120 × 周波数 ÷ モーター極数
たとえば、出力周波数を上げると一般にモータ速度が上がり、周波数を下げると速度が下がります。誘導電動機では滑りにより実際の速度は同期速度より若干遅くなります。
VFD は、次のような他の動作パラメータも制御します。
出力電圧
モーター電流
加速と減速
始動トルク
制動
過負荷保護
障害監視
適切な機能は、VFD モデルとアプリケーションの要件によって異なります。
一般的な VFD には 4 つの主要なセクションがあります。
AC入力整流器
DCリンク
インバータスイッチング段
制御およびフィードバックシステム
VFD は最初に電源から AC 電力を受け取ります。入力は、ドライブの設計に応じて、単相または三相になります。
整流器は、入力 AC 電圧を DC 電圧に変換します。多くの産業用 VFD では、整流器に半導体ダイオードが使用されています。一部の高度な設計では、制御されたスイッチング デバイスを使用して入力パフォーマンスを向上させます。
整流段は、VFD の入力電流、突入動作、高調波特性に影響を与えます。
整流された電圧は DC リンクに入力されます。このセクションには通常、コンデンサが含まれますが、DC リアクトルまたはチョークも含まれる場合があります。
コンデンサは整流された電圧を平滑化し、インバータ段に安定した DC バスを提供します。また、DC リンクは入力電力波形を出力波形から分離し、VFD が異なる電圧と周波数で新しい出力を作成できるようにします。
インバータ段は、DC 電圧を AC 電力に変換します。 IGBT などの高速半導体スイッチを使用して、モーターの制御された出力を生成します。
スイッチング端子の電圧は、完全な正弦波ではなく、一連のパルスとして生成されます。モーター巻線は自然に電流を平滑化し、モーターが回転磁界と機械的トルクを生成できるようにします。
制御システムは、モーターに必要な電圧、周波数、電流を決定します。速度コマンドは、キーパッド、アナログ信号、PLC、PID コントローラー、または産業用通信ネットワークから送信される場合があります。
VFD は、次のような動作状態を継続的に監視します。
出力電流
DCバス電圧
モーター速度
ドライブ温度
過負荷状態
位相損失
短絡状態
ドライブが危険な状態を検出すると、出力を低下させたり、モーターを停止したりすることがあります。
パルス幅変調 (PWM) は、VFD の可変周波数出力を生成するために使用される一般的な方法です。
スイッチング デバイスは DC バスを高速にオン/オフします。これらの電圧パルスの幅とタイミングを変更することで、VFD は必要な波形に従う平均出力電圧を生成します。
PWM を使用すると、ドライブはコンパクトな電子回路でモーターの周波数と電圧を制御できます。ただし、スイッチングプロセスでは、電磁干渉、モーターノイズ、モーター絶縁への追加のストレスも発生する可能性があります。
したがって、キャリア周波数は、モーター、ケーブル長、動作環境、およびアプリケーション要件に従って選択する必要があります。スイッチング周波数を高くすると、可聴ノイズが減少する可能性がありますが、駆動損失や電磁干渉も増加する可能性があります。
V/F 制御は、スカラー制御またはヘルツあたりの電圧制御とも呼ばれ、電圧と周波数の間の適切な関係を維持します。
出力周波数が低下すると、それに応じて電圧も低下します。これにより、モーター内の適切な磁束を維持することができます。
V/F 制御は比較的単純で、次の用途によく使用されます。
ファン
渦巻ポンプ
基本的なコンベア
汎用機械
アプリケーションが高精度の速度またはトルク応答を必要としない場合に適しています。
センサーレスベクトル制御は、物理エンコーダーを使用せずにモーターの磁束とトルクを推定します。
基本的な V/F 制御と比較して、次のことが可能です。
低速トルクの向上
より速い応答
負荷レギュレーションの改善
より安定したモーター動作
センサーレスベクトル制御では、正確なモーター銘板データが重要です。一部のドライブでは、自動チューニング プロセスを使用してモーターの抵抗とインダクタンスを推定します。
閉ループ ベクトル制御は、エンコーダまたは別の速度センサーからのフィードバックを使用します。 VFD は、指令された速度と実際のモーター速度を比較し、それに応じて出力を調整します。
この方法は、以下を必要とするアプリケーションに適しています。
正確な速度調整
高い始動トルク
正確な停止
安定した低速動作
荷重や方向が頻繁に変化する
代表例としては、エレベータ、クレーン、巻線機、工作機械、高機能印刷装置などが挙げられます。
V/F 制御とベクトル制御の違いについては、「V/F 制御とベクトル制御の違い」を参照してください。 V/Fベクトルインバータガイド.
VFD により、プロセスに必要な速度でモーターを動作させることができます。これにより、機械的スロットル、バイパス システム、ギア変更、またはその他の速度制御方法の必要性が軽減されます。
VFD は、始動中にモーター周波数を徐々に増加させることができます。これにより、直接オンライン始動と比較して、始動電流と機械的衝撃が軽減されます。
停止中、ドライブは負荷と用途に応じて、プログラムされた減速ランプ、DC ブレーキ、または制動抵抗器を使用できます。
VFD は、モーターをフルスピードで動作させる必要がない場合にエネルギー消費を削減できます。これは、遠心ポンプやファンなどの可変トルク負荷に特に関係します。
ただし、エネルギーの節約は自動的に行われるわけではありません。結果は、動作時間、負荷プロファイル、モーター効率、駆動損失、および必要なプロセス出力によって異なります。米国エネルギー省は、次の点について追加のガイダンスを提供しています。 可変速ドライブの部分負荷効率.
加速と減速を制御すると、次のようなストレスが軽減されます。
カップリング
ベルト
ギアボックス
シャフト
バルブ
ポンプシステム
水システムでは、徐々に加速することも、突然の圧力変化やウォーターハンマーを制限するのに役立ちます。
VFD は、電流、過負荷、温度、欠相、その他の状態を監視できます。これにより、制御システムは、動作条件が危険になったときにモーターを停止したり、障害信号を発行したりすることができます。
VFD は、給水、灌漑、循環、廃水処理、プロセスのポンプなどに広く使用されています。
ドライブはポンプ速度を調整して、必要な圧力または流量を維持できます。 VFD を選択する前に、エンジニアはポンプ曲線、全揚程、モーター電流、最低動作速度、空運転リスクを確認する必要があります。
ファンは、変化するエアフロー要件の下で動作することがよくあります。 VFD は、温度、圧力、換気要求に応じてファン速度を調整できます。
一般的な用途には、空気処理ユニット、排気ファン、冷却塔、産業用換気装置などがあります。
コンベアには、制御された始動、調整可能な生産速度、または別の機械との同期が必要な場合があります。
VFD はベルトの衝撃を軽減し、材料のスムーズな動きを維持するのに役立ちます。重いコンベヤの場合は、モーター出力だけではなく、始動トルクと過負荷の要件に基づいて選択する必要があります。
工作機械には、広い速度範囲、高い低速トルク、正確な速度調整が必要な場合があります。
主軸の応答性や切削性能を重視する場合には、基本的な V/F 制御よりもベクトル制御や閉ループ制御の方が適している場合があります。
繊維機械や印刷機械では、多くの場合、安定した速度、スムーズな加速、張力制御、および異なるセクション間の同期が必要です。
VFD は PLC やその他のドライブと連携して、ローラー、フィーダー、ワインダー、および搬送機構を調整できます。
エレベーターやクレーンの用途では、高い始動トルク、正確な停止、制御されたブレーキ、負荷方向の頻繁な変更が必要となる場合があります。
これらのシステムでは、VFD、モーター、エンコーダー、機械ブレーキ、安全回路、および緊急オペレーティング システムの間の慎重な調整が必要です。
VFD の選択では、モーター出力だけではなく、モーター負荷システム全体を考慮する必要があります。
モーターの銘板から次の情報を確認する必要があります。
定格電力
定格電圧
定格電流
定格周波数
定格速度
モーター相
接続方法
絶縁クラス
冷却方法
同じ電力定格のモーターでも電流要件が異なる場合があるため、定格電流は特に重要です。
負荷が次のとおりであるかどうかを判断します。
可変トルク
一定のトルク
重負荷または高過負荷
ファンと遠心ポンプは通常、可変トルク負荷です。コンベヤー、ミキサー、押出機、コンプレッサー、および吊り上げ装置は、一定のトルクまたは過酷な運転を必要とする場合があります。
必要な最低速度、最高速度、始動トルク、加速時間、減速時間、過負荷継続時間を確認してください。
通常の走行に適したドライブでも、頻繁な始動、突然の負荷変化、または高慣性装置には適さない場合があります。
高慣性負荷は、減速中にエネルギーを VFD に戻す可能性があります。このエネルギーによって DC バス電圧が上昇する場合、システムには制動抵抗器、制動ユニット、または回生ドライブが必要になる場合があります。
温度、湿度、ほこり、腐食性ガス、振動、高度、および筐体要件をすべて考慮する必要があります。
必要な保護レベルは、清潔な電気キャビネットと埃っぽい機械室では異なる場合があります。
VFD とソフトスターターは両方とも始動ストレスを軽減できますが、実行する機能は異なります。
特徴 |
VFD |
ソフトスターター |
|---|---|---|
速度制御 |
連続的な速度調整が可能 |
通常、起動後は一定速度で動作します。 |
始動制御 |
周波数、電圧、電流、加速度を制御 |
主に始動時の電圧を制御します |
省エネの可能性 |
可変速負荷の場合はより高い |
モーターがフルスピードに達した後は制限されます |
制動 |
DC ブレーキ、抵抗ブレーキ、または回生をサポートする場合があります |
通常はより制限されます |
一般的な使用方法 |
ポンプ、ファン、コンベア、機械、エレベーター |
スムーズな始動のみが必要なモーター |
プロセスで継続的な速度調整が必要な場合は、通常、VFD の方が適しています。モーターの始動電流を減らすだけでよく、その後はフルスピードで動作する場合は、ソフトスターターで十分な場合があります。
VFD を確実に動作させるには、正しい設置と試運転が不可欠です。
重要な点は次のとおりです。
モータ銘板データを正確に入力してください。
適切な入力保護および切断装置を使用してください。
ドライブ、モーター、ケーブルシールドを正しく接地してください。
モーターケーブルは制御ケーブルや通信ケーブルから離してください。
モーターケーブルの許容長さを確認してください。
VFD の周囲には十分な換気を行ってください。
最小周波数と最大周波数を正しく設定してください。
加速、減速度、電流制限、停止の設定を確認します。
全負荷で試運転する前に、モーターの方向と低速動作をテストしてください。
ベクトル制御を使用する場合は、オートチューニング手順が必要になる場合があります。選択したオートチューニング方法は、機械の機械的条件に適している必要があります。
VFD は可変周波数ドライブの略です。 AC モーターに供給される周波数と電圧を制御する電子デバイスです。
産業用モーター制御では、同様の機器を説明するために、VFD、周波数インバーター、AC ドライブ、および調整可能な周波数ドライブがよく使用されます。
重要な要素は、ドライブの電圧、電流、制御方法、モーターの互換性、およびアプリケーションの定格です。
ほとんどの標準的な VFD は、三相誘導モーターまたは互換性のある永久磁石モーター用に設計されています。
一部の特殊なモデルは単相入力を受け入れ、三相出力を提供します。ただし、メーカーが構成を承認しない限り、標準 VFD を単相コンデンサ始動モーターに接続しないでください。
いいえ。エネルギーの節約は負荷プロファイルと動作条件によって異なります。
通常、ポンプまたはファンが長期間フルスピード未満で動作できる場合に、最大の節約が可能になります。モーターを連続的に全速力で動作させる必要がある場合、省エネ効果が限定される可能性があります。
モーターの定格電流、電圧、位相、電力、速度、周波数から始めます。
次に、負荷の種類、始動トルク、過負荷要件、制動エネルギー、動作環境、および必要な制御方法を評価します。ドライブは、モーター出力のみではなく、実際のアプリケーションのデューティに応じて選択する必要があります。
可能かもしれませんが、モーターの機械的速度制限、冷却、ベアリング、絶縁、負荷トルク、ドライブ出力電圧を最初に確認する必要があります。
基本周波数を超えると、モーターは利用可能なトルクが減少して動作する可能性があります。モーターおよび機器のメーカーの制限に常に従う必要があります。
VSD は可変速度ドライブを意味し、VFD は可変周波数ドライブを意味します。
VSD は、モーター速度を制御するためのさまざまなテクノロジーを含む広義の用語です。多くの産業用途では、VSD は VFD であるため、これらの用語は同じ意味で使用されることがよくあります。
VFD は、AC モーターを制御するために、固定周波数の電力を調整可能な周波数の出力に変換します。整流器、DC リンク、インバーター ステージ、および制御システムが連携して、モーターの速度、トルク、加速、ブレーキ、保護を調整します。
モーター、負荷タイプ、速度範囲、過負荷要件、ブレーキの必要性、および設置環境に応じて、適切な VFD を選択する必要があります。
VFD を適切に選択して試運転すると、適切な可変速アプリケーションでのプロセス制御が改善され、機械的ストレスが軽減され、エネルギー使用量が削減されます。
モーターの定格、負荷の種類、速度範囲、動作条件を IFIND チームと共有します。お客様のアプリケーションに適した VFD 制御方法と構成の評価をお手伝いします。
