今日の効率的なモーターを PWM 損傷から保護

May 16, 2023

米国エネルギー省 (DOE) は、ポンプ システムとそのコンポーネントに対して最小効率制限を実施しています。 一方、エンドユーザーは、これまで以上に効率の高いシステムを求めています。 ポンプ メーカーが両方のグループのニーズを満たす 1 つの方法は、出力需要が変化したときにポンプ システムの速度を変更してピーク効率を維持できるソリューションを導入することです。

電気モーターによって駆動されるポンプ システムでは、この効率向上は通常、モーターに可変周波数ドライブ (VFD) を追加することによって実現されます。 VFD は、モーターの入力周波数と電圧を変更することで交流 (AC) モーターの速度とトルクを制御する、速度調整可能なドライブです。 ポンプ業界の多くは、VFD の仕組みとその効率上のメリットをよく知っています。 あまり一般的に理解されていないのは、VFD が引き起こす可能性のある有害な影響からモーターを保護する方法と、ポンプ システムでのこれらの影響を軽減する方法です。

多くのモーター メーカーは、VFD またはインバーターで動作するように設計されたモーターを提供しています。 これらのモーターは、VFD のパルス幅変調 (PWM) 電力波形によって駆動されるように特別に設計されています。 PWM は、主にモーターへの電圧と電流波形の供給を制御するために使用される変調技術です。 これはモーター速度制御の非常に効率的な方法であるため、多くの場合好まれます。

ただし、PWM 波形はモーター内で問題を引き起こす可能性があります。 たとえば、モーター巻線に、モーターおよび標準モーター巻線の両方の制限の定格電圧をはるかに超える電圧スパイクが発生する可能性があります。したがって、VFD で使用されるモーターには、改善された絶縁材料とプロセスが必要です。標準的な絶縁システムと比較して、定格電圧をはるかに超える電圧スパイクから保護します。

米国電気製造業者協会 (NEMA) MG1 Part 31 によると、VFD で使用される定格電圧が 600 ボルト以下のモーターには、少なくとも定格電圧の 3.1 倍の電圧スパイクから保護する巻線が必要です。 定格電圧が 600 ボルトを超えるモーターの場合、最小値はモーターの定格電圧の 2.04 倍です。

PWM 波形は、電気モーターのベアリングにも影響を与える可能性があります。 標準の正弦波電力で駆動する場合、モーターに電力を供給する 3 相は平衡充電されます。 つまり、1 つの相が +460V の場合、2 番目の相は -460V、3 番目の相はゼロになります。 ただし、PWM 波形は真の正弦波ではありません。 パルス状の直流 (DC) 電圧は疑似正弦波を生成し、モーター内の充電バランスに問題を引き起こします。 ローターとステーターの間に電荷の差が蓄積され、バランスを取る必要があります。 この電荷はコモンモード電圧 (CMV) によって引き起こされます。

冬にドアノブに触れたことがある人なら誰でも知っているように、電気は地面への最も抵抗の低い経路を見つけて、この不均衡を修正します。 冬にドアノブに触れたときに受ける衝撃は、正しく取り付けられ、保護されていないモーターのベアリング内で起こる現象の縮小版です。 ベアリングがシャフトから分離されておらず、システムが不適切に接地されている場合、ベアリングは、モーターが電荷のバランスを取るために求める最小の抵抗の経路を提供します。 このバランスがベアリング内で発生することを放電加工 (EDM) と呼びます。

EDM が発生すると、モーターの動作中にベアリングの材料片が外れてベアリングに重大な損傷を与える可能性があり、少なくとも時間の経過とともに騒音、熱、早期故障が発生する可能性があります。 CMV を防ぐ 1 つの方法は、ローターとステーターの間の電荷のバランスをとるためにモーターに低抵抗の経路を与えることです。 これは通常、シャフト接地装置をモーターに追加し、モーターを接地することで実現されます。 大型のモーターでは、シャフト接地リングの反対側のベアリングを絶縁して循環電流を排除することで、追加の保護を得ることができます。

これらのモーター保護機能は便利ですが、モーターが PWM 波形によって引き起こされる有害な影響を受ける原因の根本には到達しません。

可変速ポンプ システムを堅牢にして確実に動作させるには、ポンプ、モーター、VFD を組み立てるだけでは不十分です。 これらのコンポーネントは、PWM 電力波形の使用時に発生する問題を軽減するように設計された単一のシステムに統合され、単一のシステムとして動作する必要があります。

たとえば、モーター巻線には、PWM 波形によって電力が供給される場合、電圧スパイクに対する追加の保護が常に備わっている必要があります。 ただし、モーターと VFD の間の相互作用によって生じる CMV やその他の問題は、適切な取り付け技術に従うことで軽減できます。

VFD の取り付けVFD からモーターにつながる電源ケーブルはシールドされており、特に VFD での使用に適した定格を備えている必要があります。 メーカーに問い合わせて、システムの電圧および電流制限に対して推奨されるサイズであることを確認してください。

接地についてモーターだけを接地した場合、モーターは完全に保護されません。 VFD は高周波ノイズを発生しますが、これもドライブに接地する必要があります。 VFD の接地には、単にケーブルをドライブ上の共通接地に戻すだけではありません。 モーターは、少なくとも単一の電源リ​​ード線と同じサイズで、電源リード線と同じ導管内を通る編組タイプの接地線を使用してドライブに接地する必要があります。

電線管の選択 これらの電源リード線と接地線を収容するために使用される電線管は金属製である必要があります。 コンジットは、モーターとドライブの両方を絶縁せずに接続する必要があります。 金属電線管をドライブまたはモーターの端子箱に接続するために、PVC、プラスチック、またはその他の絶縁材料を使用しないでください。 これらの材料のいずれかを使用する場合は、電源リード線と接地ケーブルを運ぶ金属導管が接地回路に適切に接続されていることが重要です。

システムアプローチの採用モーターへの PWM 損傷を防ぐために、モーターメーカーは巻線、シャフト接地、絶縁ベアリングに追加の保護を追加できます。 VFD の出力にも追加の保護を追加できます。メーカーは、これらのコンポーネントがどこに、どのように、いつ取り付けられるかを予測できないため、これらの保護を追加します。 しかし、これらの影響が発生する前に軽減する方法があります。それは、これらのコンポーネントを統合システムとして設計してインストールすることです。

最適なソリューションを実現するには、モーターと VFD を単一のシステムとして扱う必要があります。 モーターがドライブに接地されていて、ワイヤ、導管、フィルターのサイズが適切であれば、仕様どおりに動作する可変速ドライブ システムが得られます。

Patrick Hogg は、日本電産モーター株式会社の一般産業およびポンプのアプリケーション エンジニアリング マネージャーです。 ホッグは、ミズーリ大学セントルイス校で機械工学の学士号と MBA を取得しています。 ルイス。 [email protected] までご連絡ください。