VFD (可変周波数ドライブ) サプライヤーとして、私はさまざまな業界にわたる VFD の変革的な影響を直接目撃してきました。 VFD の最も重要でありながら見落とされがちな機能の 1 つは、力率補正機能です。このブログ投稿では、力率補正とは何か、それが重要な理由、および VFD がどのように力率を効果的に補正できるかについて詳しく説明します。
力率について
VFD の力率補正機能を検討する前に、力率とは何かを理解することが重要です。力率 (PF) は、AC (交流) 回路で電力がどの程度効率的に使用されているかを示す尺度です。これは、実際に有用な仕事をする電力である実電力 (P) と、回路内の電圧と電流の積である皮相電力 (S) の比として定義されます。
数学的には、力率は次のように表されます。
[ PF = \frac{P}{S} ]
力率の値の範囲は 0 ～ 1 です。力率 1 は、回路に供給されるすべての電力が有効に使用されていることを示します。一方、力率が 1 未満の場合は、電力の一部が無駄になっていることを意味します。この無駄な電力は無効電力 (Q) として知られており、モーター、変圧器、ソレノイドなどの誘導負荷内に磁場を確立して維持するために必要です。
力率改善が重要な理由
力率が低いと、産業用ユーザーと商業用ユーザーの両方にいくつかの悪影響が生じる可能性があります。まず、電気システムを流れる電流量が増加し、その結果、熱の形でのエネルギー損失が増加します。これらの損失はエネルギーを浪費するだけでなく、電気システムの運用コストを増加させます。
次に、力率が低いと電気システムで電圧降下が発生し、電気機器の性能に影響を与える可能性があります。これにより、効率の低下、メンテナンスコストの増加、さらには機器の早期故障につながる可能性があります。
最後に、多くの電力会社は、力率が低いことに対して顧客にペナルティを課しています。これは、力率が低いと、電力会社が顧客の実際の電力要件を満たすために必要以上の電力を生成および送電する必要があるためです。力率を改善することで、顧客は光熱費を削減し、これらの不利益を回避できます。
VFD が力率を補正する仕組み
VFD は、電源の周波数と電圧を変化させることで AC モーターの速度とトルクを制御するデバイスです。 VFD は、速度制御機能に加えて、電気システムの力率を補正することもできます。
ほとんどの VFD は、整流回路を使用して AC 入力電圧を DC 電圧に変換し、その後、必要な周波数と電圧で AC 電圧に反転します。整流回路は通常、非線形に電流を引き出すダイオードまたはサイリスタで構成されます。この非線形な電流引き込みにより、電気システムの力率が低下する可能性があります。
力率を補正するために、最近の VFD の多くには力率補正 (PFC) 回路が装備されています。 PFC 回路は、入力電流波形を入力電圧波形に厳密に一致させるように設計されており、それによって力率が改善されます。 PFC 回路には、パッシブとアクティブの 2 つの主なタイプがあります。
パッシブ力率補正
パッシブ PFC 回路は、インダクタとコンデンサを使用して入力電流をフィルタリングし、高調波成分を低減します。これらの回路は比較的単純で安価ですが、達成できる力率は約 0.9 のみです。パッシブ PFC 回路は通常、コストが重要な考慮事項となる低電力アプリケーションで使用されます。
アクティブ力率補正
アクティブ PFC 回路は、スイッチング コンバータを使用して入力電流を制御し、力率を 1 に近い値に維持します。これらの回路はパッシブ PFC 回路よりも複雑で高価ですが、より高い力率と優れた高調波性能を実現できます。アクティブ PFC 回路は通常、エネルギー効率と電力品質が重要な高電力アプリケーションで使用されます。
VFD による力率改善の利点
力率を補正することにより、VFD はユーザーにいくつかの利点を提供します。まず、無効電力を最小限に抑え、全体の効率を向上させることで、電気システムのエネルギー消費を削減できます。これにより、機器の耐用年数全体にわたって大幅なコスト削減につながる可能性があります。
次に、力率補正により、高調波歪みや電圧変動が低減され、電気システムの電力品質が向上します。これは、電気機器を損傷から保護し、その信頼性とパフォーマンスを向上させるのに役立ちます。
最後に、力率補正は、力率が低いことに対して電力会社から請求されるペナルティをユーザーが回避するのに役立ちます。高い力率を維持することで、ユーザーは光熱費を削減し、収益を向上させることができます。
力率改善機能を備えた VFD のアプリケーション
力率補正機能を備えた VFD は、製造、HVAC (暖房、換気、空調)、水処理、輸送などのさまざまな業界で広く使用されています。力率補正を備えた VFD の一般的な用途には次のようなものがあります。
- モーター制御:VFD は、産業用途で AC モーターの速度とトルクを制御するために一般的に使用されます。 VFD は力率を補正することでモーターの効率を向上させ、エネルギー消費を削減できます。
- HVAC システム:VFD は、HVAC システムのファンとポンプの速度を制御するために使用されます。 VFD は負荷要件に合わせて機器の速度を調整することで、エネルギー消費を削減し、建物内の快適性レベルを向上させることができます。
- 水処理施設:VFD は、水処理プラントのポンプやブロワーの速度を制御するために使用されます。 VFD は装置の動作を最適化することで、エネルギー消費を削減し、処理水の水質を向上させることができます。
- 交通機関：VFD は電気自動車や電車の速度制御に使用されます。 VFD は力率を改善することで、車両の航続距離と効率を向上させ、充電時間を短縮できます。
結論
結論として、VFD の力率補正機能は、ユーザーに大きなメリットをもたらす重要な機能です。 VFD は力率を補正することで、エネルギー消費を削減し、電力品質を改善し、電力会社から請求される罰金を回避できます。 VFD サプライヤーとして、次のプロジェクトでは力率補正機能を備えた VFD を検討することを強くお勧めします。
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参考文献
- チャップマン、SJ (2012)。電気機械の基礎 (第 5 版)。マグロウヒル。
- ドルフ、RC、スヴォボダ、JA (2014)。電気回路入門 (第 9 版)。ワイリー。
- モハン、N.、ウンデランド、TM、ロビンス、WP (2012)。パワー エレクトロニクス: コンバータ、アプリケーション、および設計 (第 3 版)。ワイリー。