1. VVVF制御の基本原理
1.1 V/Hz の関係
VVVF 制御の中心原理は、モーター電圧 (V) と周波数 (Hz) の比率を一定に維持することです。 AC誘導モーターでは、ステーター内の磁束はV/fに比例します。電圧を比例的に下げずに周波数を下げると、磁気コアが飽和し、過剰な電流と過熱が発生します。逆に、周波数に対して電圧が低すぎる場合は、トルクの発生が低下します。
VVVF ドライブは、速度範囲全体にわたって V/f を一定に維持することにより、モーターがゼロ速度からベース速度まで定格トルクを生成することを保証します。基本速度を超えると、電圧は主電源を超えて増加できないため、ドライブは「弱め界磁」モードに入り、電圧は一定のまま周波数が増加します。この領域では、最大トルクは速度とともに減少しますが、モーターは最大定格速度まで加速し続けることができます。
1.2 パワーステージのアーキテクチャ
一般的なエレベーターの VVVF ドライブは、次の 3 つの電力変換ステージで構成されます。
整流器:三相 AC 主電源（通常 380-480V、50/60 Hz）を DC に変換します。-最新のドライブは、高調波歪みを引き起こす古いダイオード ブリッジ設計ではなく、力率が 1 に近づく主電源から正弦波電流を引き出す IGBT ブリッジを備えたアクティブ フロントエンド (AFE) 整流器を使用しています。
DCバス:DC リンク コンデンサ バンクは、整流された DC を平滑化し、インバータ段のエネルギーを蓄えます。一般的な DC バス電圧は、400V クラスのドライブの場合 600-700V です。コンデンサはブレーキ時の回生エネルギーも吸収します。
インバータ:パルス幅変調（PWM）を使用して、DC を可変周波数の AC に変換します。- 6 つの IGBT (絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ) が 2 ～ 16 kHz の周波数で三相ブリッジ スイッチに配置されており、電圧と周波数がドライブのプロセッサによって正確に制御される合成正弦波出力を生成します。
2. 制御アルゴリズムとパフォーマンス
2.1 スカラー (V/f) 制御
最も単純な VVVF 実装では、開ループ V/f 制御を使用します。この制御では、実際のモーター速度や電流を測定せずに、ドライブが速度基準信号に基づいて特定の電圧と周波数を指令します。{0}このアプローチは費用対効果が高く、貨物用エレベーターや低速乗客用エレベーターなどの単純な用途には十分です。-ただし、負荷条件が変化すると正確な速度を維持できず、低速でのトルクが制限されます。
2.2 ベクトル制御 (フィールド指向制御)
現在の乗客用エレベーターは、フィールド指向制御（FOC）とも呼ばれるベクトル制御を広く採用しています。{0}このアルゴリズムは、三相モータ電流をロータ磁束と一致する回転基準系に変換し、DC モータの個別の電機子と界磁制御と同様に、トルク-生成電流と磁束-生成電流 - を独立して制御できるようにします。
Vector control requires feedback of rotor position or flux angle, obtained either from an encoder mounted on the motor shaft (sensored vector control) or estimated from motor voltage and current measurements (sensorless vector control). High-speed elevators (>3 m/s) では、正確な速度と位置の制御のために、1 回転あたり 1,000 ～ 4,096 パルスの分解能を持つエンコーダが常に使用されます。
パフォーマンスの比較:ベクトル制御エレベータは、±0.1% の速度調整精度と、着陸時の位置精度 ±3 mm 以内を達成しています。- これは、古い V/f ドライブと比較して 10 倍、2 速モータ システムと比較して 50 倍の改善です。-
2.3 ダイレクトトルク制御(DTC)
高級エレベーター ドライブで使用される高度な制御戦略である DTC は、中間電流制御ループを使用せずにモーターのトルクと磁束を直接制御します。実際のモーターの状態を数学的モデルと比較することにより、DTC コントローラーは 25 ～ 40 マイクロ秒ごとに最適なインバーターのスイッチング状態を選択します。これにより、非常に速いトルク応答が得られます (< 2 ms) and superior low-speed performance, making DTC ideal for high-rise elevators with heavy loads and critical leveling requirements.
3. エレベーターの動作プロファイリング
VVVF ドライブは、移動距離、定格速度、快適性パラメータに基づいてエレベータ コントローラによって計算された、移動ごとに事前定義された動作プロファイルを実行します。一般的なプロファイルは次のもので構成されます。
加速フェーズ:ジャーク-は 0 から定格速度までの上昇を制限します。最大ジャークは通常 0.5 ～ 2.0 m/s で、貨物にはより高い値が許容され、高級旅客用エレベーターにはより低い値が許容されます。
定速フェーズ:走行距離の大部分において定格速度で安定した走行が可能。
減速フェーズ:加速と対称的に、車は着陸ゾーンに入る前にスムーズにクリープ速度 (通常 0.1 ～ 0.3 m/s) に達します。
レベリング:正確な低速アプローチにより、かごの床と乗り場の敷居の位置を ±5 mm 以内に合わせます。-
VVVF ドライブは、エレベータ コントローラから速度基準信号 (通常はアナログ 0 ～ 10V、±10V、またはデジタル CANopen/Ethernet 通信経由) を受信し、そのベクトル制御アルゴリズムを使用してモーターがこの基準をできるだけ正確に追跡します。最新のドライブは、定速時に 0.5% 未満、加速時に 2% 未満の速度追従誤差を達成します。
4. 回生駆動技術
4.1 エネルギー回収の原理
従来の（非回生）VVVF 駆動では、エレベータが軽い車両で下降するとき、または重い車両で上昇するときに、モーターが発電機として機能し、電気エネルギーを生成します。回生がなければ、このエネルギーは DC バスに接続された制動抵抗器で熱として放散されます。一般的な非回生ドライブでは、総エネルギー消費量の 20～40% が抵抗熱として無駄になる可能性があります。-
回生ドライブは、ダイオード整流器を、エネルギーを双方向に転送できるアクティブ IGBT フロントエンドに置き換えます。モーターが電力を生成すると、回生コンバーターが主電源と同期し、エネルギーを建物の電力網にフィードバックします。効率は大幅に向上します。
| 建物の種類・交通量 | 回生による省エネ |
|---|---|
| 低層住宅（交通量が少ない）- | 15 – 25% |
| 中層オフィス（交通量は中程度）- | 25 – 35% |
| 高層商業施設（交通量の多い場所）- | 30 – 45% |
| 病院またはホテル（可変負荷） | 20 – 30% |
4.2 アクティブ フロントエンド (AFE) の利点
AFE 回生ドライブには、エネルギー回収以外にも次のような追加の利点があります。
高調波低減:AFE ドライブは、ダイオード整流器の THD が 80 ～ 120% であるのに対し、全高調波歪み (THD) は 5% 未満でほぼ正弦波の電流を消費します。これにより、外部高調波フィルタが不要になり、建物の電気システムへの干渉が防止されます。
ユニティ力率:AFE は電圧と電流の間の位相角を制御し、すべての動作条件にわたって力率を 1.0 近くに維持します。これにより、公共料金のデマンド料金が削減され、無効電力のペナルティがなくなります。
機械室の冷却の削減:制動抵抗器を排除すると重要な熱源が除去され、機械室の HVAC 要件が 30 ～ 50% 削減されます。
5. ドライブの選択とサイジング
エレベーター用途に適切な VVVF ドライブを選択するには、過負荷能力、環境条件、制御機能を考慮しながら、ドライブ容量をモーター要件に適合させる必要があります。
5.1 定格電力
ドライブの連続電力定格は、モーターの定格電力以上である必要があります。ただし、エレベータ用途では、加速のために高い過負荷能力が必要です。ドライブは、静止始動からの加速中に 10 ～ 60 秒間、定格電流の 150-200% を供給する必要があります。ほとんどのエレベーター固有のドライブは、標準として 60 秒間 150% の過負荷で定格されています。
5.2 入力電圧と位相
標準的な産業用 VVVF ドライブは、三相 380-480V AC 入力を受け入れます。{0}}単相電源しかない場所では、最大約 3.7 kW の特殊な単相入力ドライブを利用できます。-非常に大型のエレベーター（重量貨物、高速-）の場合、電流とケーブル サイズを削減するために中電圧ドライブ（690V 以上）が指定される場合があります。
5.3 エンクロージャと環境評価
機械室の周囲温度は通常 5 度から 40 度の範囲です。ドライブは 40 度を超えると定格を下げるか、強制換気を行う必要があります。屋外または無条件の設置の場合は、動作温度範囲が -10 度から +50 度のドライブを指定してください。粉塵の多い環境では、IP54 以上のエンクロージャ定格が必要です。
6. メンテナンスと診断
6.1 予防保守
VVVF ドライブは、電気機械制御システムと比較して最小限のメンテナンスしか必要としませんが、いくつかの項目を毎年チェックする必要があります。
DCバスコンデンサ:静電容量を測定し、銘板の値と比較します。容量損失が 20% を超える場合は、交換が必要であることを示します (通常の寿命: 8 ～ 12 年)。
冷却システム:ヒートシンクのフィンと冷却ファンを掃除します。ファンベアリングの寿命は通常 5 ～ 7 年です。積極的に交換してください。
接続:-電源端子のネジを締めて、過熱による変色がないか点検します。
パラメータのバックアップ:ドライブパラメータをダウンロードしてアーカイブします。災害復旧のためにバックアップをクラウドまたは安全な場所に保存します。
6.2 組み込みの診断機能-
最新のエレベーター VVVF ドライブには、次のような包括的な診断機能が含まれています。
モーターの電流、電圧、トルク、温度のリアルタイム監視-
タイムスタンプと障害時の動作条件を含むトリップ履歴のログ記録
IGBT ヘルスモニタリング (Vce 飽和電圧傾向)
エンコーダフィードバックの検証
ブレーキ回路監視
現在、多くのドライブが IoT 接続を提供し、運用データをクラウド プラットフォームにアップロードし、AI アルゴリズムが傾向を分析して障害が発生する前に予測します。早期導入者は、ドライブ データ分析に基づく予知メンテナンスを使用して、計画外のダウンタイムが 30 ～ 50% 削減されたと報告しています。
7. 今後の動向
VVVF エレベーター ドライブの進化は、いくつかの道筋に沿って続いています。炭化ケイ素 (SiC) IGBT および MOSFET により、50 kHz を超えるスイッチング周波数が可能になり、モーターのノイズが低減され、よりコンパクトなフィルター設計が可能になります。建物の交通パターンを学習し、リアルタイムで配車を最適化する AI{3}} ベースの制御アルゴリズムが商用導入され始めています。{4}}また、DC マイクログリッドの統合 - により、エレベーターが AC 変換損失なしでビル規模の蓄電池に直接接続できます - -。これにより、ネット ゼロ ビルディングの効率がさらに 1 段階変化することが期待されます。--
