モーター駆動

モータードライブは、モーターを含む物理システムです。可変速モーター ドライブは、複数の動作速度を持つモーターを含むシステムです。可変速モーター ドライブは、速度が連続的に変化するモーターを含むシステムです。モーターが電気エネルギーを使用するのではなく生成する場合、モーター ドライブはジェネレーター ドライブと呼ばれることがありますが、多くの場合、モーター ドライブと呼ばれます。

可変周波数ドライブ( VFD) または可変速ドライブ (VSD) は、モーターの速度を制御するシステムの電子部分を表します。より一般的には、 ドライブという用語は、機械の速度を制御するために使用される機器を表します。組み立てラインなどの多くの産業プロセスは、異なる製品に対して異なる速度で動作する必要があります。プロセス条件によってポンプまたはファンからの流量を調整する必要がある場合、ドライブの速度を変えると、流量制御の他の技術と比較してエネルギーを節約できます。

速度がいくつかの異なる設定範囲から選択できる場合、通常、ドライブは調整可能な速度であると言われます。出力速度を一定の範囲内で段階的に変更できる場合、ドライブは通常、可変速と呼ばれます。

調整可能および可変速ドライブは、純粋に機械式（バリエータと呼ばれる）、電気機械式、油圧式、または電子式です。

モーター ドライブは、モーターを制御するために使用されるドライブを指す 場合があり、そのため VFD または VSD と置き換えられることがあります。

AC 電気モーターは、モーターのステータ極対の数と交流電源の周波数によって決まる固定速度で運転できます。AC モーターは「極変更」運転用に作ることができ、ステータ巻線を再接続して極の数を変更し、2 段階、場合によっては 3 段階の速度が得られます。たとえば、8 対の物理的極を持つマシンは、4 対または 8 対の極で運転できるように接続して、2 つの速度 (60 Hz では 1800 RPM と 900 RPM) を実現できます。速度変更がまれな場合は、最初にモーターを 1 つの速度に接続し、プロセス条件の変化に応じて別の速度に配線し直すか、プロセスのニーズが変動したときに磁気接触器を使用して 2 つの速度を切り替えることができます。3 つ以上の速度の接続は経済的ではありません。

このような固定速度動作速度の数は、極対数の増加に伴いコストによって制限されます。多くの異なる速度または連続可変速度が必要な場合は、他の方法が必要です。

直流モーターは、シャント界磁電流を調整することで速度を変えることができます。直流モーターの速度を変えるもう 1 つの方法は、電機子に印加される電圧を変えることです。

可変速モーター ドライブは、電気モーターと、モーターの動作速度を調整するために使用されるコントローラーで構成されます。定速モーターと連続的に調整可能な機械式速度変更装置の組み合わせは、「可変速モーター ドライブ」と呼ばれることもあります。パワー エレクトロニクス ベースの可変周波数ドライブにより、古いテクノロジーは急速に不要になりつつあります。

プロセス制御とエネルギー節約は、可変速ドライブを使用する 2 つの主な理由です。歴史的に、可変速ドライブはプロセス制御のために開発されましたが、エネルギー節約も同様に重要な目的として浮上しました。

可変速ドライブは、固定速モードの代替動作に比べて、よりスムーズな動作を実現できる場合がよくあります。たとえば、下水揚水所では、下水は通常、重力により下水管を通ってウェット ウェルの場所に流れます。そこから下水は処理プロセスに汲み上げられます。固定速ポンプを使用する場合、ポンプはウェット ウェル内の液体のレベルが高点に達したときに始動し、レベルが低い点に下がったときに停止するように設定されます。ポンプのオン/オフを繰り返すと、モーターを始動するための電流の急激な増加が頻繁に発生し、モーターと電力制御機器に電磁気的ストレスと熱的ストレスが生じ、ポンプとパイプは機械的ストレスと油圧ストレスを受け、下水処理プロセスはプロセスを通過する下水の流れの急激な増加に対応せざるを得なくなります。可変速ドライブを使用する場合、ポンプはウェット ウェルのレベルが上昇するにつれて増加する速度で連続的に動作します。これにより、流出量が平均流入量に一致し、プロセスの動作がはるかにスムーズになります。

ファンとポンプは、工業用電気モーターが使用するエネルギーの大部分を消費します。ファンとポンプがさまざまなプロセス負荷に対応している場合、供給される流体の量を変える簡単な方法は、ファンまたはポンプの出口にダンパーまたはバルブを取り付けることです。これにより、圧力降下が大きくなり、プロセス内の流量が減少します。ただし、この追加の圧力降下はエネルギー損失を意味します。この失われたエネルギーを回収するデバイスを設置することが経済的に実用的な場合もあります。ポンプまたはファンに可変速ドライブを取り付けると、需要に合わせて供給を調整でき、余分な損失は発生しません。

たとえば、ファンが固定速度モーターによって直接駆動される場合、気流はシステムの最大需要に合わせて設計されるため、通常は必要以上に高くなります。気流はダンパーを使用して調整できますが、ファン モーターの速度を直接調整する方が効率的です。親和性の法則に従うと、気流の 50% の場合、可変速度モーターは入力電力 (アンペア) の約 20% を消費します。固定速度モーターは、気流が半分の場合でも入力電力の約 85% を消費します。

一部の原動機（内燃機関、往復動またはタービン蒸気機関、水車など）には、連続的に変化させることができる動作速度範囲があります（燃料率の調整または同様の手段により）。ただし、速度範囲の両端では効率が低くなる可能性があり、システム上の理由により原動機の速度を非常に低い速度または非常に高い速度で維持できない場合があります。

電気モーターが発明される前は、水車や蒸気エンジンによって供給される機械的な動力を制御するために機械式変速機が使用されていました。電気モーターが使用されるようになると、その速度を制御する手段がほぼ即座に開発されました。今日、産業用ドライブ市場では、さまざまな種類の機械式ドライブ、油圧式ドライブ、電気式ドライブが互いに競争しています。

機械式ドライブには、可変ピッチドライブとトラクションドライブの 2 種類があります。

可変ピッチドライブは、1 つまたは両方のプーリのピッチ直径を調整できるプーリおよびベルトドライブです。

トラクションドライブは、金属ローラーが互いに噛み合うように回転することで動力を伝達します。入力と出力の速度比は、ローラーを動かして接触経路の直径を変えることで調整されます。さまざまなローラー形状と機械設計が使用されています。

油圧駆動には、静水圧駆動、流体力学駆動、流体粘性駆動の 3 種類があります。

油圧駆動装置は、油圧ポンプと油圧モーターで構成されています。容積型ポンプとモーターが使用されるため、ポンプまたはモーターの 1 回転は、速度やトルクに関係なく、容積によって決まる流体流量の設定量に対応します。速度は、バルブで流体流量を調整するか、ポンプまたはモーターの容積を変更することによって調整されます。さまざまな設計バリエーションが使用されています。斜板駆動装置は、アキシャルピストンポンプまたはモーターを使用し、斜板角度を変更して容積を調整し、速度を調整できます。

流体駆動装置または流体カップリングは、一定速度の入力軸上のインペラと可変速度の出力軸上のローターの間でトルクを伝達するためにオイルを使用します。自動車のオートマチックトランスミッションのトルクコンバーターは、流体駆動装置です。

ハイドロビスカス ドライブは、入力シャフトに接続された 1 枚以上のディスクが、出力シャフトに接続された同様のディスクに押し付けられる構成です。トルクは、ディスク間の油膜を介して入力シャフトから出力シャフトに伝達されます。伝達されるトルクは、ディスクを一緒に押し付ける油圧シリンダーによって加えられる圧力に比例します。この効果は、 Hele-Shaw クラッチなどのクラッチとして、またはBeier 可変比ギアなどの可変速ドライブとして使用できます。

機械式および油圧式の可変速ドライブは、車両、農業機械、およびその他の種類の機器で使用される場合、 通常「トランスミッション」または「連続可変トランスミッション」と呼ばれます。

制御は、ポテンショメータまたはリニアホール効果デバイス (ほこりやグリースに対してより耐性があります) を使用して手動で調整することも、たとえばグレー コード 光学エンコーダなどの回転検出器を使用して自動的に制御することもできます。

電気駆動装置には、 DC モーター駆動装置、渦電流駆動装置、AC モーター駆動装置の 3 つの一般的なカテゴリがあります。これらの一般的なタイプはそれぞれ、さらに多数のバリエーションに分けられます。電気駆動装置には通常、電気モーターと速度制御ユニットまたはシステムの両方が含まれます。駆動装置という用語は、モーターのないコントローラーによく適用されます。電気駆動技術の初期には、電気機械制御システムが使用されていました。その後、さまざまな種類の真空管を使用して電子コントローラーが設計されました。適切なソリッド ステート電子部品が利用可能になると、新しいコントローラー設計に最新の電子技術が組み込まれました。

DC ドライブは DC モーターの速度制御システムです。DC モーターの速度は電機子電圧に正比例し、モーター磁束 (界磁電流の関数) に反比例するため、電機子電圧または界磁電流のいずれかを使用して速度を制御できます。

渦電流駆動装置 (最も一般的なブランド名の 1 つにちなんで「ダイナマティック駆動装置」と呼ばれることもあります) は、固定速度モーター (通常は誘導モーター) と渦電流クラッチで構成されています。クラッチには、小さなエアギャップで分離された固定速度ローターと可変速度ローターが含まれています。フィールド コイルの直流電流によって磁場が生成され、入力ローターから出力ローターに伝達されるトルクが決まります。コントローラは、クラッチ電流を変化させることで閉ループ速度制御を提供し、クラッチが目的の速度で動作するのに十分なトルクのみを伝達できるようにします。速度フィードバックは通常、一体型 AC タコメータによって提供されます。

渦電流駆動装置はスリップ制御システムであり、そのスリップエネルギーは必然的にすべて熱として消散します。したがって、このような駆動装置は、AC/DC-AC 変換ベースの駆動装置よりも一般的に効率が低くなります。モーターは負荷に必要なトルクを発生し、全速力で動作します。出力軸は同じトルクを負荷に伝達しますが、回転速度は低速です。電力はトルクと速度の積に比例するため、入力電力はモーター速度と動作トルクの積に比例し、出力電力は出力速度と動作トルクの積に比例します。モーター速度と出力速度の差はスリップ速度と呼ばれます。スリップ速度と動作トルクの積に比例した電力は、クラッチで熱として消散します。ほとんどの可変速アプリケーションでは可変周波数駆動装置に追い抜かれていますが、渦電流クラッチは、スタンピングプレス、コンベア、巻き上げ機、一部の大型工作機械など、頻繁に停止および起動する高慣性負荷にモーターを結合するために今でもよく使用され、機械式クラッチや油圧トランスミッションよりもメンテナンスが少なく、徐々に起動できます。

AC ドライブはAC モーター速度制御システムです。

スリップ制御巻線ロータ誘導モータ(WRIM) ドライブは、ステータ バスにフィードバックされるスリップ電力を電子的に回収するか、ロータ回路の外部抵抗器の抵抗値を変更することにより、ロータ スリップ リングを介してモータ スリップを変化させることで速度を制御します。渦電流ドライブと同様に、抵抗ベースの WRIM ドライブは AC/DC-AC ベースの WRIM ドライブよりも効率が低く、特殊な状況でのみ使用されるため、人気がなくなりました。

スリップエネルギー回収システムは、スリップエネルギーを変換してステータ電源にフィードバックし、エネルギーを WRIM のステータバスに戻します。このように回収されたエネルギーは、抵抗ベースの WRIM ドライブでは熱として無駄になります。スリップエネルギー回収可変速ドライブは、大型ポンプやファン、風力タービン、船舶推進システム、大型ハイドロポンプや発電機、ユーティリティエネルギー貯蔵フライホイールなどの用途で使用されます。AC/DC-AC 変換用の電気機械部品 (整流器、DC モーター、AC 発電機で構成) を使用する初期のスリップエネルギー回収システムはKramer ドライブと呼ばれ、可変周波数ドライブ(VFD)を使用する最近のシステムは静的 Kramer ドライブと呼ばれています。

一般に、最も基本的な構成の VFD は、モーターに供給される電力の周波数を調整することによって、誘導モーターまたは同期モーターの速度を制御します。

標準的な低性能可変トルク アプリケーションで、ボルト/ヘルツ (V/Hz) 制御を使用して VFD 周波数を変更すると、AC モーターの電圧対周波数比を一定に維持でき、その電力を最小動作周波数と最大動作周波数の間でベース周波数まで変化させることができます。ベース周波数を超える一定電圧動作、つまり V/Hz 比の減少により、トルクが減少し、一定電力機能が実現します。

回生 AC ドライブは、モーター速度よりも速く移動する負荷 (オーバーホール負荷) のブレーキ エネルギーを回収し、電力システムに戻す能力を持つ AC ドライブの一種です。

• DCインジェクションブレーキ
• 二重給電式電動機
• 回生可変周波数ドライブ
• シェルビウスドライブ

• Spitzer, David W. (1990)。可変速ドライブ。アメリカ計測協会。ISBN 1-55617-242-7。
• キャンベル、シルベスター J. (1987)。ソリッドステート AC モーター制御。ニューヨーク: Marcel Dekker, Inc. ISBN 0-8247-7728-X。
• Jaeschke, Ralph L. (1978)。動力伝達システムの制御。オハイオ州クリーブランド: Penton/IPC。
• シスキンド、チャールズ S. (1963)。産業における電気制御システム。ニューヨーク：McGraw-Hill、Inc. ISBN 0-07-057746-3。