モーター制御について

モーター制御とは？モーターは、その設計と機能において非常にシンプルなデバイスですが、回転のタイミングや速度、効率を制御は繊細なプロセスです。この記事では、高度なモーター技術を最大限に活用するためのドライブと制御について紹介します。

モーター制御には、電子式と電気機械式の2種類があります。電気機械式制御は、物理的な接触によって動作する、シンプルな装置です。スイッチ、ソレノイド、リレーなどがこれに該当します。一方、電子モーター制御装置は、調整範囲、プログラム能力、他の装置との通信機能を備えており、制御システムを統合することが可能です。これらの装置には、可変速ドライブ、ソフトスターター、パルス幅変調器などがあります。このガイドでは、電子モーターコントローラに焦点を当てて解説します。

ACモーター制御とDCモーター制御は、それぞれ独自の機能を持っていますが、これらの異なるモータータイプを制御するための設計や機能は当然異なります

DCモーターの速度制御は簡単です。基本的にはポテンショメーターで電源電圧を調整するだけで、モーターの全回転数範囲内でシャフトの回転数を容易に設定できます。界磁制御や界磁弱めを持つブラシ付きDCモーターでは、これらのDCモーター制御によって、速度設定を通じて一貫したトルクを維持することも可能です。

しかし、DCモーターの速度制御にはいくつかの制約があります。

• AC電源を使用する場合は、整流器でDC電源に変換する必要がある。
• ブレーキをかけるには、専用の抵抗器を回路に組み込む必要がある。

また、DCモーターの回転方向を逆にするには、電源の極性を切り替えるリレーと、モーターが完全に停止したことを確認するセンサーが必要です。

ACモーター制御は一般的に複雑ですが、ACモーター自体はどこにでもあるAC電源に簡単に接続できます。正確なオンデマンドのブレーキや方向転換が必要な場合、ACモーターコントローラーは適切な選択肢となります。これらのモーターコントローラーは、調整可能で複雑なため、設置時に大幅な調整が必要です。ACコントローラーには、幅広い制御システムに簡単に接続できる機能が搭載されていることが多く、変化が速く、高度に接続された環境に適しています。可変速ドライブは、ACモーター制御で最も一般的なタイプで、主に2つのカテゴリーに分類されます。

• 可変周波数ドライブ（VFD）は、供給電力の周波数を変更することでモーターの速度を調整します。VFDは、AC電力を整流器でDCに変換し、その後インバーターを通して希望の周波数で再びACに変換します。VFDは、動作中に電圧と周波数の比率を維持し、安定したトルクを確保することが多いです。これにより、幅広い速度や用途で強力なモーター性能を発揮できますが、低速や保持トルク（停止時）にはあまり適していません。
• ベクトル制御ドライブは、VFDよりもさらに広い制御範囲を持ちます。モーターの磁化電流とトルク発生電流を個別に制御するアルゴリズムにより、低速や保持トルク時を含め、熱の蓄積を最小限に抑えながら、供給電力を効率的にトルクに変換します。

今日のモーター技術は、モーター制御も高度化させています。ドライブと制御は、モーターの速度、トルク、エネルギー使用量を正確に制御するために、詳細なフィードバック、アルゴリズム、デバイス通信を採用することで「より賢く」なっています。

可変速ドライブとともに、モーター速度制御の主要なコンポーネントとしてソフトスターターがあります。ソフトスターターは、モーターが回転を開始したり停止したりする際にモーターを保護します。モーターが急激な負荷をかけられたときに発生するトルク、電流、熱の急激な上昇を避けるため、モーターを静止位置から徐々に回転させます。

また、インテリジェントモーターコントローラ（IMC）などの高度なモーター制御もあります。IMCはプログラム可能な集積回路（IC）の一種で、収集した進行中のデータに基づいてモーターの速度やトルクの制御コマンドを提供します。IMCはブラシレスDCモーターと多相ACモーターの両方に対応しており、非常に汎用性の高い製品です。

IMCの速度制御は、暖房、換気、空調（HVAC）の用途に非常に有効です。例えば、風量出力目標のあるファンに対して、IMCは風量を正確に制御して目標値を達成することができます。これは、最大速度での運転しかできないファンよりもはるかに効率的です。最大速度での運転しかできないファンでは、風量を調整するために手動でスロットルを操作するか、流量目標を達成するために定期的にファンのオン・オフを切り替える必要があります。

高トルク/低速用途で最大トルクを確実に発生させるためには、モーターシャフトの位置を正確に計算するアルゴリズムがあります。このアルゴリズムでは、使用するセンサーの数が少なくて済むため、設置コストが削減され、故障の可能性も低くなります。

スマートモーターコントローラーは、電気モーターが消費するエネルギーにも対応しています。高度なモーター制御では、エネルギー使用量を入力としてモーターの動作を設定し、そのエネルギーでモーターがどの程度の速度とトルクを実現しているかを監視できます。パフォーマンスが低下し始めると、これらの制御システムはより広範なシステムに警告を発し、オペレーターが問題を調査できるようにします。これにより、モーターの問題が深刻な問題を引き起こす前に検出し対処することができ、予測メンテナンスの一端を担っています。

炭素排出量の多い機器に代わって電気モーターに依存するようになっているため、エネルギー使用量をさらに削減するには、モーターを可能な限り効率的に稼働させる必要があります。そのためには、堅牢でスマートなモーター制御が求められます。

また、高度なモーター制御は、インダストリー4.0や予防保全、予知保全、精密保全などのメンテナンス戦略にも役立ちます。企業は設備投資の利益を最大限に高めるため、モーターの運転状況を注意深く監視し、適切なモーターコントローラで出力を最適化する必要があります。さらに、相互に通信し、より広範な中央制御システムと連携できる電動モーター制御は、システムの健全性と性能を評価する上で不可欠です。

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