AC モーターは低速または部分負荷で効率が低下するのはなぜですか?

直接的な答え: 低速および部分負荷で効率が低下する理由

AC モーターは、低速または部分負荷では効率が低下します。 固定損失 (鉄損、摩擦、風損) は、出力に関係なくほぼ一定に保たれます。 そのため、有用な出力が低下するにつれて、総入力電力に占める消費電力の割合が増加します。同時に、自冷式 AC モーターは速度が低下するにつれてシャフトに取り付けられたファンからの空気の流れを失い、内部損失が比例して大きくなるとまさに熱放散が減少します。その結果、サイズと設計に応じて、効率が全負荷に近い 90% 以上から軽負荷では 70% 未満に低下するモーターが得られます。

以下のセクションでは、この低下の背後にある具体的なメカニズムを具体的な図を使用して説明し、アプリケーションが AC モーターを定格点から外れて定期的に動作させる場合に実際に何ができるかを概説します。

出力が減少しても固定損失はスケールダウンしない

すべての AC モーターには、モーターの負荷がどれほど軽くても基本的に固定された損失のカテゴリがあります。ステーターの磁化によるコア (鉄) 損失、ベアリングの摩擦、空気中を回転するローターによる風損です。これらの損失は主に、モーターが駆動する機械的負荷ではなく、モーターの設計とその定格電圧と周波数によって設定されます。

ACモーター

部分負荷時に効率が低下する理由

効率とは、単に有効な出力電力を総入力電力で割ったものです。負荷、したがって出力電力が低下すると、固定損失は絶対値としては同じままですが、全体に占める割合ははるかに大きくなります。負けるモーター 全負荷時の固定損失に対する定格電力の 5% 負けるかもしれない 15%～20% 25% の負荷では、入力ははるかに小さくなります。これは、分母 (出力) が劇的に縮小する一方で、分子 (損失) はほとんど変化しないためです。

• 鉄損は磁束密度に依存し、磁束密度は負荷ではなく電圧に関係します
• 摩擦と風損は伝達されるトルクではなく速度に依存します
• 一般的な中型誘導モーターでは、効率が低下する可能性があります。 10 ～ 15 パーセント ポイント 100% から 25% の負荷の間

スリップ損失は、軽負荷での有用な仕事に比べて増加します

誘導モーターは、滑り、つまり同期速度と実際のローター速度の差によって動作します。スリップはローターに電流を誘導し、トルクを生成しますが、機械的な出力ではなく、ローターバーで熱に変換される無駄な電力も表します。軽負荷では、絶対スリップ損失は小さくなりますが、トルク生成電流が低下しても励磁電流はほぼ一定のままであるため、ロータとステータの銅損 (I²R 損失) は負荷に応じて直線的に低下しません。

磁化電流の問題

必要なときに冷却能力が低下する

ほとんどの標準的な AC モーターは、冷却のためにシャフトに取り付けられたファンを使用します。これは、空気の流れがシャフト速度に直接比例することを意味します。機械的に、または可変速 AC モーター設定での周波数低下によってモーターが減速すると、出力に対する内部損失の割合が上昇するまさにその瞬間に、冷却ファンが移動する空気が減少します。これにより、さらに複雑な問題が生じます。効率の低下によって熱が発生し、モーター自体の冷却システムがその熱を除去する能力が低下します。

低速動作の実際的な結果

部分負荷時に力率が急激に低下する

力率は AC モーター システムの効率と密接に関係しており、負荷が減少すると顕著に低下します。の力率で動作するモーター 全負荷時 0.85 ～ 0.90 に落ちるかもしれない 25% 負荷で 0.4 ～ 0.6 というのは、実際の消費電力が低下する一方で、磁化（無効）電流はほぼ一定のままだからです。これは、モーターが実行する有用な仕事に比べて必要以上の電流を消費し、モーター巻線と上流の配線の抵抗損失が増加することを意味します。

これが効率の問題をさらに複雑にする理由

力率の低下は、デマンド料金を通じて公共料金に影響を与えるだけでなく、モーターに電力を供給する配電システム全体の I²R 損失も増加します。多くの部分的に負荷がかかっているモーターを同時に稼働している施設では、この累積効果により、モーターの銘板の効率のみが示唆するものよりも総エネルギー消費量が大幅に増加する可能性があります。

単相 AC モーターの設計には追加の罰則が課される

A 単相ACモーター 低速および部分負荷では、主に回転磁界の生成方法が原因で、三相のものよりも本質的に効率が低くなります。多くの単相設計は、回転を生み出すために補助巻線、始動コンデンサ、または影付きの極に依存しており、これらのコンポーネントにより追加の損失が発生し、負荷の減少に比例してスケールダウンすることはありません。また、単相動作の脈動トルク特性により、振動やローターの不均一な加熱によって余分な機械的損失が発生します。これは、モーターが定格速度よりかなり低い速度で動作する場合に特に顕著です。

モータ種類別効率比較

三相誘導電動機は通常、急激な低下が始まる前に約 50% 負荷まで妥当な効率を維持します。対照的に、単相 AC 電動機は、始動巻線と運転巻線が定格条件付近のより狭い動作帯域に合わせて最適化されているため、75% 負荷から下方に向かってより顕著な効率の低下を示すことがよくあります。

可変周波数ドライブが低速効率に与える影響

AC モーターとドライブを組み合わせて、 可変速ACモーター システムには、低速時の効率に関する独自の考慮事項が導入されています。ほとんどのドライブは 1 ヘルツあたりの電圧制御を使用し、電圧と周波数の両方を一緒に下げて一定の磁束を維持します。これは、低速でのコア損失をある程度制限するのに役立ちますが、ドライブ自体にはスイッチング損失があり、処理される総電力（現在は小さくなりました）の大きな割合を占めます。また、シャフト駆動のエアフローの減少を補うために追加された外部冷却ファンは、モーター効率に直接寄与しない追加のエネルギーを消費します。

システム全体のビュー

可変速 AC モーターのセットアップを評価する場合は、モーター単体の効率ではなく、ドライブとモーターを組み合わせた効率に注目することが重要です。ドライブの効率は最大出力で 96% ～ 98% ですが、通常、この数値は低速および軽負荷でも低下し、その動作領域でのモータ自体の効率の低下に加えて低下します。

負荷範囲全体にわたる一般的な効率の動作

低負荷効率を改善するための実践的な手順

アプリケーションが AC モーターを定格負荷または定格速度以下で定期的に実行する場合、いくつかの実際的な対策によって効率の低下を軽減できます。

1. まれなピーク条件に合わせてモーターを大きくするのではなく、通常の動作負荷に合わせてモーターを適切なサイズにします。
2. 単純な 1 ヘルツあたりのボルト数のスケーリングではなく、低速で磁束が最適化された制御を備えた、適切に構成された可変速 AC モーター ドライブを使用します。
3. シャフト駆動ファンは定格 RPM を下回ると効率が失われるため、低速で継続的に動作する必要があるモーターには強制外部冷却を追加します。
4. 複数の軽負荷モーターが同じ電気システムで動作する場合は、力率補正コンデンサを取り付けます。
5. 一般に、より広い負荷範囲にわたってより優れた効率曲線を維持する、最高効率または高効率のモーター設計を検討してください。