電気駆動におけるパワーエレクトロニクスの役割

パワーエレクトロニクスは現代の電気駆動装置の必須部品として進化してきました。本質的に、電気駆動におけるパワーエレクトロニクスの基本的な仕事は、ソースと負荷間のインタフェースを提供し、モーター駆動の速度、トルク、および位置を正確に制御することです。これは、駆動システムのニーズに対して電力を変換して曲げることによって達成されます。

代表的な電気駆動装置は、電気モータ、電子コンバータ、および制御からなります。アクチュエータは電気モータであり、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換します。使用されるモータの種類は、アプリケーションの要件 (AC誘導モータ、DCモータ、ブラシレスDCモータなど) によってしばしば決定されます。

電気駆動システムの中核はパワーエレクトロニックコンバータです。これらには整流器、インバータ、DC/DCコンバータなどがあり、それぞれACからDCへの変換、DCからACへの変換、およびDC電圧レベルの変更に重要な役割を果たします。これらのコンバータは電気モータが効果的に使用できる形態に電力を変換します。

電気駆動のパワーエレクトロニクスに関連する利点は次のとおりです。

可変速度制御: 電源に直接接続されている場合、従来のモータは制御能力が限られており、主に電源周波数によって定められた一定の速度で動作します。パワーエレクトロニクスはコンバータや変調方式を用いて可変速度制御を可能にし、電気自動車、家電製品、産業オートメーションなどのアプリケーションに不可欠です。

効率性と省エネ: パワーエレクトロニクスは電気駆動をより効率的に実行できるようにします。例えば、モータの回転数を負荷のニーズに合わせることでエネルギーの無駄を減らす場合があり、総エネルギー節約につながります。

回生ブレーキ: 回生ブレーキはパワーエレクトロニックコンバータによって可能になり、電気自動車のような多くの電気駆動アプリケーションでブレーキまたは減速の間にモータが発電機として働くことを可能にします。発電された電気エネルギーは電源に戻されるか、バッテリーに蓄えられ、エネルギー効率を高めます。

モータ保護とシステム統合: パワーエレクトロニクスはモータの起動、ブレーキ、過負荷防止などの重要な操作も行います。さらに、他のシステム部品との接続を容易にし、性能と機能を向上させるための複雑な制御方式を実装することを可能にします。

電気駆動の種類と制御

電気駆動装置は、多くの産業および家庭用アプリケーションの基礎です。十分な制御を維持しながら、電源から負荷へ電力をシフトする重要な機能が注目を集めています。電気駆動装置は、使用する電動機の種類、電源の性質、負荷の種類などの特性に基づいて、異なるカテゴリに分類されることがあります。

モータのタイプに基づく

DCモータ駆動: DC駆動は制御の単純さから、伝統的に可変速アプリケーションに利用されてきました。これらは永久磁石DCモータ、DCシャント、直列または複合モータのいずれかを活用します。AC駆動の多くのアプリケーションでますます置き換えられていますが、強力な始動トルクと制御の単純さから、鉄鋼、紙、エレベータなどの分野で依然として人気があります。

ACモータ駆動: ACモータの堅牢性、低コスト、メンテナンスフリーの機能により、AC駆動は今日広く利用されています。誘導性モータ駆動、同期モータ駆動、BLDC (ブラシレスDC) モータ駆動はすべてこのカテゴリに含まれており、それぞれに独自のアプリケーションと制御技術があります。

電源の性質に基づく

AC駆動: この駆動は、AC電源グリッドに接続され、モータの速度とトルクを制御するためにそれらの電圧と周波数が制御されます。

DC駆動: この駆動は、直流 (DC) ソースから電力を供給されます。モータ速度を制御するために、DC電圧は維持されます。

電気駆動制御技術の主な目的は、モータ速度、トルク、または位置を効率的かつ迅速に変更することです。定期的に採用される制御戦略は次のとおりです。

スカラ制御: このアプローチはボルト / ヘルツ制御としても知られており、電圧と周波数を同時に変更することによってモータ速度を制御するという点でシンプルです。しかし、動的性能に欠け、モータの磁束特性が考慮されていません。

ベクトル制御またはフィールド指向制御 (FOC): この方法はステータの磁場を調整してロータの磁場と整列させることにより動的パフォーマンスを向上させます。それが正確なトルク制御を保証します。

ダイレクトトルク制御 (DTC): DTCは、適切なインバータスイッチング状態を選択することにより、トルクと磁束を直接調整します。反応速度は速いですが、複雑な制御技術が必要です。

センサレス制御: センサレス制御システムは、モータからの電流および電圧情報を使用してロータ位置を確立します。したがって、モータ速度は、(モータ速度センサを必要とせずに) ロータ位置の変化から計算され、この情報を使用して速度を調整することができます。

電気駆動のケーススタディ

電気駆動の実用的な関連性と使用を実証するために、次のケーススタディを検討します。

ケーススタディ1: 電気自動車の電気駆動

電気自動車 (EV) は、電気駆動の最も目に見えるアプリケーションの1つです。高効率の電動モータ (三相誘導モータまたはブラシレスDCモータ) は、EVのドライブトレイン内のパワーエレクトロニクスコンバータによって制御されます。エネルギー源としては高密度リチウムイオン電池がよく用いられます。EVの電気駆動は、バッテリーから電動モータへの電気の流れを調整し、可変速度とトルク、回生ブレーキ、全体的な効率の向上を可能にします。電気駆動の効率と反応性は、車両の性能、航続距離、およびユーザーエクスペリエンスに大きく貢献します。

ケーススタディ2: 産業オートメーションにおける電気駆動

電気駆動は、様々な機能のために産業オートメーションでかなり使用されています。例えば、電気駆動は、製紙工場で生産される紙の厚さと品質を等しく保つためにローラーの速度を制御します。電気駆動は、製造プロセスに必要な速度制御、始動、および停止機能を提供します。

ケーススタディ3: HVACシステムの電気駆動

電気駆動のもう一つの重要なアプリケーションは、暖房、換気、空調 (HVAC) システムです。例えば、可変周波数ドライブ (VFD) は、HVACシステムでファンやポンプの速度を調整するために使用され、エネルギー使用量を削減しながら最大限の環境の快適性を保証します。負荷状況に基づいてモータ速度を調整することで、大幅な省エネを実現できます。

ケーススタディ4: 再生可能エネルギーシステムの電気駆動

電気モータは再生可能エネルギーシステム、特に風力タービンの重要な構成要素です。電気駆動は、変動する風速に合わせて発電機の速度を制御することで発電を最適化します。さらに、力率調整や障害ライドスルーなどの機能を提供することで、グリッドコード準拠を支援できます。ネットワークへの接続を維持し、固定された故障によって引き起こされる接続ポイントで低電圧期間を通じて作動する電気機器の能力は、故障ライドスルーと呼ばれます。