産業用モータ制御の最適化：エネルギーセービングのためのインバータ改造
工業生産の中心となる電気自動化システムは、全体的な生産コストと環境への影響に直接影響を与えます。従来の一定速度運転は、変動する負荷要求に対応する際にエネルギーの浪費を引き起こし、精密なプロセス制御を難しくします。可変周波数速度制御技術は、これらの問題に対する有望な解決策を提供する高度なモータ制御方法です。本研究では、発電所の電気自動化システムを例に、インバータによる速度制御技術に基づく改造計画とその節電効果について探求し、同様の産業シナリオでのエネルギー効率改善の参考とするためのものです。
1 インバータアプリケーションにおける電気自動化の現状と改造要件
1.1 既存設備
発電所の電気自動化システムは主に3つの部分で構成されています：配電システム、モータ駆動ユニット、および制御システム。配電システムには10 kV高圧開閉器、トランスフォーマー、400 V低圧開閉器が含まれており、樹形構造で配電されています。モータ駆動は主に直接起動または星三角減圧起動法で制御される非同期モータです。ポンプ負荷は現場設備の中で最大の割合を占め、循環水ポンプ、冷却水ポンプ、給水ポンプなどが含まれます。これらの装置は一定速度で動作し、バルブによって流量を調整しており、これによりエネルギー消費量が高くなります。既存のシステムアーキテクチャは比較的分散しており、部分的に集中管理されています。上位監視システムはフィールド制御システムと産業イーサネットを介して通信し、集中データ表示と遠隔操作を可能にしています。しかし、現在の制御システムには可変周波数速度制御のための高度な制御アルゴリズムが欠けており、エネルギー管理とプロセス最適化に不足があります。
1.2 改造要件
現在の設備状況に基づいて、電気自動化システムの改造要件は主にエネルギー効率の向上と制御の最適化に焦点を当てています。ポンプやファンの効率的な動作を可能にするために、負荷要求に合わせてモータ速度を調整できるインバータベースの速度制御技術を導入する必要があります。
同時に、既存のポンプステーションと生産施設を活用し、レベル2のサイバーセキュリティ保護要件に準拠したスマートモニタリングプラットフォームの構築が急務です。クラウドコンピューティングを中心にIoT技術と統合されたこのプラットフォームは、企業管理とフィールド制御とのシームレスな統合を可能にします。システムアーキテクチャは「中央プラットフォーム + 分散サブシステム + モバイル端末」の3層構造を採用し、リアルタイムのデータ収集、効率的な処理、安全な保存を確保します。
中央プラットフォームは高性能サーバクラスタ上に構築され、高度なデータ分析アルゴリズムを展開して正確な意思決定支援を提供します。分散サブシステムには、設備状態監視、ビデオ監視、環境パラメータ収集などのモジュールが含まれ、生産運用のすべての側面を包括的にカバーします。モバイル端末は、カスタマイズされたアプリケーションを通じて遠隔監視と即時通知を可能にします。
2 节能效果的理论基础
本研究におけるインバータ速度制御技術の節電効果の分析は、主にファンとポンプの親和性則と可変周波数速度制御のエネルギー変換原理に基づいています。設備の運軈状況によると、多くのポンプとファンは一定速度で動作し、バルブによって流量を調整しているため、大きなエネルギー損失が生じています。一方、可変周波数速度制御は負荷要求に合わせてモータ速度を調整することで、エネルギー節約を達成します。ファンとポンプの親和性則は、流量、揚程、およびパワーの関係に基づいて確立されており、関連する計算式は以下の通りです：
ここで Q は流量（m3/h）； n は回転速度（r/min）； H は揚程（m）； P はパワー（kW）であり、P1 は定格パワーを、P2 は低速時のパワーを表します。可変周波数速度制御のエネルギー変換式は次の通りです：
上記の理論的関係に基づき、システムの流量需要が減少すると、モータは周波数制御によって自動的に速度を低下させ、これにより大幅な電力消費の削減とエネルギー節約が達成されます。これは、後述の改造設計と節電評価の理論的基礎となります。
3 インバータ速度制御技術の改造計画
3.1 電力分配システムのアップグレード
インバータ速度制御技術を効果的に実装するために、本研究では既存の電力分配システムをアップグレードしました。高圧システムについては、10 kV開閉器に定格電流1,250 A以上、定格短絡遮断容量31.5 kAのスマート真空遮断器を導入しました。マイクロプロセッサベースの保護リレーを統合し、過電流、短絡、接地障害などの多機能保護を提供し、応答時間は20 ms以下です。また、電力品質監視システムを導入し、クラスA級の高精度センサーを使用して、高調波含有率、電圧変動、三相不平衡などのパラメータをリアルタイムで監視し、システムの安定性を確保します。
低圧システムについては、400 Vシステムがアップグレードの焦点となりました。既存のシステムに独立した給電盤を備えた専用のインバータ給電回路を追加しました。負荷要件に基づいて定格電流を400 Aから630 Aの間で選択し、電子トリップユニットを搭載して正確な過負荷と短絡保護を提供します。各インバータ回路には、遮断器の定格電流にマッチした絶縁スイッチが装備され、メンテナンスを容易にするための可視断路機能が含まれています。
高調波抑制のために、インバータ入力側にアクティブパワーフィルター（APF）を設置し、具体的な仕様は表1に示されています。
接地システムの最適化のために、本研究ではTN-S配線方式を採用し、配電盤から中性線（N）と保護接地線（PE）を分離しました。主要なPE線には断面積95 mm2以上の銅導体を使用し、接地抵抗を1 Ω未満に保証します。インバータやモータなどの重要な設備位置には等電位結合バーを追加し、断面積16 mm2以上の銅導体を使用しました。これにより共通モード干渉が抑制され、システムのEMC性能が向上します [21]。
3.2 インバータ設備の選定とパラメータ最適化
インバータの選定は、負荷特性とプロセス要件の正確なマッチングに基づいています。ポンプ負荷にはベクトル制御インバータを選択し、その定格パワーはモータのものと厳密に対応し、過負荷容量は150%/1 minです。本研究では、ダイレクトトルク制御（DTC）技術を特長とするABB ACS880シリーズのインバータを選択しました。トルク応答時間は5 ms未満、速度制御精度は±0.01%です。現場環境を考慮し、IP54保護等級の密封型インバータを使用し、強制空冷システムを搭載して、冷却風量を1 m3/(min·kW)以上を確保しました。
パラメータ最適化の焦点は、PID制御パラメータの調整とインバータ内蔵の自己チューニングアルゴリズムの利用にあります。ステップ応答テストを通じて、最適な比例ゲイン Kp (範囲: 0.1–100)、積分時間 Ti (範囲: 0.1–3600 s)、微分時間 Td (範囲: 0–10 s) を自動的に計算します。加速時間は10–30 s、減速時間は15–45 sに設定し、水槌効果を有効に防止します。トルクリミッティングを有効にしてモータの定格トルクの120%に設定し、過負荷を防止します。ファン負荷に対しては、インバータの節電モードを有効にします：軽負荷条件（負荷率 < 50%）では出力電圧を自動的に低下させ、最大で20%まで低下させます。また、低速範囲（0–10 Hz）での電圧出力を増加させることでV/F曲線を最適化し、十分な起動トルクを確保します。
スリープ・ウェイク機能を設定します：動作周波数が10 Hz未満で60秒続くと、インバータはスリープモードに入ります。システム圧力が5%低下すると自動的に目覚めます。これにより、システム効率がさらに向上します。基本的なインバータ設定では、キャリア周波数を4 kHzに設定します。発電所の実際の要件に基づいて、過電圧と低電圧保護閾値をそれぞれ418 Vと304 Vに設定します。また、モータの定格パラメータと多段速度動作設定を表2に詳細に設定します。
電流制限と最小電流最適化の計算式はそれぞれ以下の通りです：
ここで Ilim は最大電流制限； In はモータの定格電流； Ismin は最小スタータ電流； Idopt は最適励磁電流； Iq はトルク電流成分です。電流制限と最小電流最適化戦略を組み込むことで、モータの動作を細かく制御できます。過電圧と低電圧保護設定により、モータが安全な範囲内で動作します。ストール保護と電流制限措置により、過負荷を効果的に防止します。また、この制御方法はModbus-RTUプロトコルによる通信をサポートし、リモート監視とパラメータ調整を可能にし、システムの知能レベルを大幅に向上させます。
3.3 制御システムのアップグレードと統合
制御システムのアップグレードには、Siemens S7-1500シリーズPLC、具体的にはCPU 1517-3 PN/DPモデルが採用されました。このPLCは2 nsのビット演算速度と40 nsのワード演算速度を特長としています。PLCは1.6 GBの作業メモリと32 MBのロードメモリを搭載し、PROFINET、PROFIBUS、OPC UAなどの通信プロトコルをサポートしています。システムはET 200SPシリーズのリモートI/Oモジュールを採用し、PROFINETを介して250 μsの通信周期を達成しています。
ソフトウェアアーキテクチャはTIA Portal V16統合開発環境に基づいています。PLCプログラムには、インバータ通信、PID制御、モデル予測制御（MPC）、データ収集前処理、アラーム管理などの機能ブロック（FB）が含まれています。詳細なシステムフレームワークは図1に示されています。
4 節電効果分析
インバータ速度制御技術の節電効果は主に電力消費量の削減とシステム効率の向上に表れます。改造前後のエネルギー消費データを比較することで、節電性能を定量的に評価できます。本研究における改造後のシステムデータは以下の方法で収集されました：
エネルギーメーターシステム：主要な電気設備の電源線にスマートメーターを設置し、改造前後の電力消費データを収集しました。メーターモデルはSchneider PM5560で、精度クラスは0.2S、サンプリング間隔は15分です。
インバータ内蔵機能：ABB ACS880インバータの内蔵エネルギーモニタリング機能を使用して、動作時間、出力パワー、エネルギー消費量を記録しました。データはModbus-RTUプロトコルを介して中央制御室に送信されました。
SCADAシステム：Siemens WinCC V7.5プラットフォームを使用してリアルタイムデータ収集と保存システムを構築しました。モータ速度、負荷率、出力電圧/電流、力率などの主要パラメータを1秒間隔で監視しました。
現場試験：Fluke 435 II電力品質アナライザーを使用して、さまざまな負荷条件下でのスポット測定を行い、瞬間パワー、高調波、力率データを取得しました。
測定データに基づいて、年間平均負荷率を計算しました。改造前後のエネルギー消費量を比較し、異なる負荷条件下での省電力率を決定しました（表3参照）。
結果は、負荷率が低下するにつれて節電効果が徐々に増加することを示しています。これは、可変周波数速度制御における立方則節電原則と一致しています。全負荷運転では、省電力率は10%で、これはインバータの高い効率と精密な制御能力によるものであり、高負荷条件下でも頻度制御技術が大きな節電可能性を持つことを示しています。
75%負荷率では、省電力率は49.4%に増加し、部分負荷下での可変速度制御の利点が明らかになりました。50%負荷で動作すると、省電力率は75%に達し、中負荷下での優れた性能を示しました。25%負荷では、省電力率は93.7%に達し、低負荷条件での可変速度制御の大幅な節電可能性が完全に示されました。
全体として、年間平均省電力率は56.8%で、最適化されたシステムが実際の運転サイクル中に良好な総合的な節電性能を達成していることが示されています。異なる負荷状態の時間分布を考慮すると、これらの結果は産業電気自動化システムでのエネルギー効率最適化に貴重な指針を提供します。
ファン負荷の場合、インバータの内蔵エネルギー最適化機能は、軽負荷条件下でV/F曲線を自動的に調整します。Fluke 435 II電力品質アナライザーを使用して、さまざまな負荷率での電圧低下と電力消費量の関係を測定しました。
結果は、負荷率20%～30%、30%～40%、40%～50%の範囲で、電力消費量の削減率がそれぞれ36.7%、25.3%、15.8%であることを示しています。これは、負荷率が低いほど、同じ程度の電圧調整でより大きな比率の電力消費量削減が達成されることを示しています。20%未満の超軽負荷条件下では、さらなる全体的なシステム効率の向上のためにより積極的な制御戦略または設備の停止を検討する必要があります。
5 結論
本研究では、発電所の電気自動化システムの改造実践を通じて、可変周波数速度制御技術の顕著な節電効果を確認しました。制御戦略の最適化とシステム統合により、電力消費量の大幅な削減と運転効率の向上が達成されました。これらの結果は、類似の産業シナリオでの節電改造の技術的参考となります。今後の研究では、実際の運転と移動時間の不確定性を考慮し、確率的運転資源スケジューリングモデルを開発することで、実世界の運転における様々な不確定性に対処するためのより良い対策を検討します。
