ACモーターは、構造がシンプルで信頼性が高く、コストが低いという利点から、工業生産、輸送、スマートホームなど、様々な分野で広く使用されています。可変周波数速度制御技術は、モーターの速度を正確に制御し、エネルギー利用効率を大幅に向上させることができるため、ACモーターの速度制御の主流となっています。しかし、実際のアプリケーションでは、ACモーターは可変周波数速度制御中に過熱や過負荷になりやすく、モーターの運転効率が低下するだけでなく、モーターの寿命が短くなり、機器の故障につながる可能性があります。この現象の原因を解明し、的を絞った抑制対策を講じることは、ACモーターの安定的で信頼性の高い動作を確保するために非常に重要です。
1. 可変周波数速度制御中のACモーターの過熱と過負荷の主な原因
交流モータの可変周波数速度制御中に過熱や過負荷が発生する原因は、複数の要因が複合的に作用した結果であり、その主な原因は次の3点にまとめられます。第1に、高調波損失の増加です。インバータの出力は理想的な正弦波ではなく、パルス幅変調(PWM)波形であり、多数の高次高調波が含まれています。これらの高調波は、モータの固定子巻線、回転子バー、鉄心に追加の高調波損失を発生させ、高調波損失が熱に変換され、モータの温度上昇につながります。特に低周波速度制御状態では、インバータの出力電圧の高調波含有量が高く、高調波損失がより顕著になり、過熱や過負荷を引き起こしやすくなります。第2に、磁気飽和と鉄損の増加です。可変周波数速度制御中は、モータの磁束を一定に保つために、通常、「定電圧周波数比」の制御戦略が採用されます。しかし、低周波領域では、モータの固定子抵抗による電圧降下が比較的大きいため、電圧補償を行わないと実際の磁束が不足します。一方、補償が過剰になると磁気飽和が生じ、鉄心のヒステリシス損と渦電流損(総称して鉄損)が大幅に増加します。鉄損の増加は、モータの発熱を直接的に激化させます。3つ目は、冷却システムの効率低下です。交流モータの冷却システム(ファンなど)は、ほとんどがモータ軸に剛体接続されており、その冷却風量はモータ速度に比例します。可変周波数速度制御の低周波状態では、モータ速度が低下し、それに応じてファン速度も低下し、冷却風量が大幅に減少し、モータの発熱が時間内に放散できず、熱が蓄積してモータ温度が上昇し、過負荷保護が作動します。
2. 過熱と過負荷を抑制する技術的手段
上記の理由を踏まえ、ACモーターの可変周波数速度制御における過熱および過負荷現象を効果的に抑制するために、以下の技術的手段を講じることができます。第一に、インバータ制御戦略を最適化し、高調波損失を低減します。まず、空間ベクトルパルス幅変調(SVPWM)などの高性能PWM変調技術を採用します。従来の正弦波パルス幅変調(SPWM)と比較して、SVPWMはインバータ出力電圧の高調波成分を効果的に低減し、高調波損失を低減します。一方、低周波数域では電圧補償を実施します。固定子抵抗の電圧降下を正確に計算することで、インバータ出力電圧を適切に上昇させ、磁束を一定に保ち、磁気飽和による鉄損の増加を回避します。さらに、一部のハイエンドインバータには高調波抑制機能が搭載されており、内蔵フィルタによって高調波の影響をさらに弱めることができます。第二に、モーター冷却システムを改善し、放熱効率を高めます。低周波数で長時間運転するモーターには、独立駆動の冷却ファンを使用できます。ファンは専用電源で駆動されるため、モーターの回転速度に左右されず、どの回転速度でも安定した冷却風量を確保できます。同時に、ヒートシンクの数を増やしたり、高効率の放熱材を使用したり、モーターハウジングに強制冷却装置(冷却水管や放熱ファンなど)を設置したりすることで、モーターの放熱構造を最適化し、熱伝達効率を向上させることができます。第三に、発生源からの速度制御要件に適合するために、特殊可変周波数モーターを選択します。特殊可変周波数モーターは、可変周波数速度制御の特性を十分に考慮して設計されており、固定子抵抗の低減、鉄心材料の最適化、巻線構造の最適化などにより、高調波損失と鉄損を効果的に低減できます。同時に、冷却システムは主に独立設計されており、異なる回転速度における放熱効果を確保しています。通常の交流モーターと比較して、特殊可変周波数モーターは可変周波数速度制御条件下での発熱問題が大幅に改善され、過負荷耐性も向上しています。第四に、リアルタイム監視とインテリジェント保護により、過負荷リスクを防止します。モータ制御システムに温度センサーと電流センサーを設置し、モータ巻線温度やステータ電流などの主要パラメータをリアルタイムで監視します。監視対象温度が閾値を超えた場合、または過電流が発生した場合、インバータは自動的に周波数低下や負荷低減などの保護措置を講じ、継続的な加熱によるモータの損傷を回避します。同時に、制御システムのアルゴリズム最適化により、負荷の動的なバランス配分を実現します。モーターが長時間、高負荷状態で動作する確率を低減します。
まとめると、可変周波数速度制御中の交流モータの過熱および過負荷現象は、主に高調波損失の増加、鉄損の増加を伴う磁気飽和、および冷却効率の低下によって引き起こされます。インバータ制御戦略の最適化、冷却システムの改善、特殊な可変周波数モータの選定、リアルタイム監視・保護などの技術的手段の導入により、この問題を効果的に抑制し、可変周波数速度制御条件下での交流モータの安定性、効率性、信頼性の高い動作を確保し、機器の耐用年数を延ばし、伝送システム全体の経済性と安全性を向上させることができます。




