Web 限定: VFD バイパスとバックアップ: どちらを使用する必要がありますか?

学習目標

1. VFD 障害に対する従来のソリューションと新しい方法論の違いと、それぞれの長所と短所を学びます。

2. アプリケーションが適切に保護され、最も経済的な方法でバックアップされるようにするための簡単な選択プロセスについて説明します。

可変周波数ドライブ (VFD) は、もともとモーターをさまざまな速度で動作させることでエネルギー消費を削減する効率的かつ効果的な方法として導入され、HVAC 業界では一般的なものになりました。 VFD テクノロジーがエネルギーの節約に役立つことは疑いの余地がありませんが、残念なことに、初期の段階では信頼性がやや不安定でした。 VFD バイパスは信頼性に関する懸念を軽減するために導入され、VFD の使用の増加に重要な役割を果たしました。

従来の機械的バイパスはバックアップ システムとして機能し、VFD に障害が発生した場合でも装置が確実に動作し続けるようにします。 バイパスは基本的に、アプリケーションの全電圧 (ライン全体) 制御を維持するために VFD (の周囲) に組み込まれたモーター スターターです。 バックアップにより、VFD の問題が解決されるまでアプリケーションをフルスピードで実行できます。

バイパスは VFD とともに典型的な HVAC 構成の定番となっており、長年にわたってほぼすべてのコンサルティング エンジニアの仕様に組み込まれてきました。 問題は、今日の仕様の大部分が依然としてバイパスが常に必要であるという考えに固執していることです。 VFD は、ほとんどの電子機器と同様、最初に発明されて以来、劇的に改善されました。 信頼性がさらに向上し、故障率が非常に低くなりました。 また、過去数年に比べてはるかにコンパクトで経済的です。

最近、VFD メーカーは、新しく改良されたバイパスと、完全な冗長機能を備えたモーター ドライブ パッケージを開発しました。 さまざまな HVAC アプリケーションにどのバックアップまたはバイパスを使用するべきかについては意見がたくさんありますが、決定的な答えを提供するガイドはほとんどありません。 選択プロセスをよりよく理解するには、まず利用可能なさまざまなバイパスとバックアップの長所と短所を確認することが重要です。

従来のバイパス

従来のバイパスは、別個のモータースターターで構成され、その付属の VFD 出力コンタクターと機械的に連動し、いつでも VFD またはバイパスのみがモーターを動作できるようにします。 従来のバイパスのほとんどは、デフォルトで「手動」操作でバイパスを作動させます。 言い換えれば、VFD が故障した場合には、誰かが手動でバイパスをオンにする必要があります。 VFD 障害リレーを使用すると、VFD 障害に基づいてバイパスを自動的に開始できますが、これは VFD が損傷していない場合に限られます。 従来のバイパスには、2 個または 3 個のコンタクタのバリエーションもあります。 3 コンタクタ バイパス (図 1) では、追加のコンタクタまたは VFD を電源から切り離す VFD 分離スイッチが導入されます。 これにより、電気技師はアプリケーションがバイパス モードで実行中に VFD を完全に取り外すことができます。 ただし、電気技師が高電圧配線の近くで作業することになるため、これはお勧めできません。 2 コンタクタのバイパスは、バイパスを必要とするほとんどのアプリケーションに十分ですが、完全な VFD 分離を提供するものではありません。 また、ローカル コードによって実際の構成が制限される場合があることにも注意してください。

従来のバイパスの一般的な特徴は次のとおりです。

従来のバイパスはすぐに利用できます。 その他の利点は、他のバックアップと比較して安価であり、ビルディング オートメーション システム (BAS) の制御が可能であり、信頼性が非常に高いことです。

欠点としては、従来のバイパスには高度なモーター保護がなく、自動制御にリレーが必要であり、ソフトスタート機能がないことです。 BAS への通信は制限されており、ステータス/障害のみを通信します。 バイパス モードでは、すべてのエネルギー節約が失われ、消費量は監視されません。 最後に、従来のバイパスは 60Hz 動作のみを提供します。

電子バイパス（スマートバイパス）

電子バイパスは、内蔵ロジックと高度なモーター保護に関する多くの懸念事項に対処するために最近導入されました。 このマイクロプロセッサベースのバイパス (図 2) は、欠相、地絡、過電圧/不足電圧、過電力/不足電力からの保護などの高度な機能を提供します。 これらの保護機能は、従来の熱過負荷が提供するものをはるかに超えています。 電子バイパスには通常、VFD の故障時に BAS がバイパスと直接通信するための設備も含まれています。 これについては、BAS ソフトウェアの製造元と調整する必要があります。 電子バイパスにより、ユーザーはバイパスを自動的に開始する特定の条件を選択できるようになり、従来は VFD によってのみサポートされていた他の機能 (障害ログ、遅延など) が組み込まれています。 また、フル ANSI グレードの電力計測と BACnet またはその他の通信インターフェイスを統合し、VFD モードでもバイパス モードでもシームレスな制御と通信を可能にする電子バイパスも市販されています。

電子バイパスの一般的な機能は次のとおりです。

良い面としては、電子バイパスは、高度なモーター保護、BAS 通信、トラブルシューティングを支援するロジック、柔軟な制御機能、コンパクトな物理サイズなどの機能を提供します。 しかし、これらのバイパスにはより高いコストがかかります。 また、ソフトスタート機能やバイパスでのモーター速度制御 (60Hz のみ) もありません。

冗長ドライブ

冗長 VFD は、重要なアプリケーションの制御における論理的な次のステップです (図 3)。 これらは、1 つの VFD に障害が発生しても、自動的に引き継ぐ 2 番目の VFD によって完全な制御と保護が維持されるという原理に基づいて動作します。 冗長 VFD は新しい概念ではありません。 このアイデアは何年も前から存在していましたが、このコンセプトが費用対効果の高いものになったのはつい最近のことです。 VFD 市場の競争はますます激化しており、バイパスが実行可能な選択肢として消え、デュアル VFD システムが重要なアプリケーションの標準になるのは時間の問題です。 ほとんどの VFD メーカーは、カスタム製品の一部として、ある種のパッケージ化された冗長ドライブ システムを提供しています。 これは、「ジョブごと」にアプローチする必要があることを意味します。

これらのパッケージは 2 つ以上の VFD で構成されているため、ある程度のカスタマイズが必要であることを理解することが重要です。 真の冗長性を維持するには、追加の電源および制御回路を追加する必要があります。 電源サージやスパイクが発生した場合にプライマリ VFD とバックアップ VFD の両方が損傷しないように、プライマリ VFD の実行中はスタンバイ VFD を電源から隔離する必要があります。 VFD を絶縁するには、機械的にインターロックされた入力コンタクタを追加する必要があります。 また、バックアップ VFD が定期的に電源を投入されずに長期間放置されないようにするための準備も行う必要があります。 VFD DC バス コンデンサには有効期限があり、定期的な充電サイクルを行わないと劣化する可能性があります。 制御システムは、スタンバイ VFD に対してスケジュールされた交替または充電サイクルを提供する必要があります。 追加された電源および制御コンポーネントの欠点は、残念ながら追加コストがかかることです。

冗長 VFD の長所には、完全な冗長性、バックアップ VFD による完全な制御、常に高度なモーター保護が含まれます。 一貫したエネルギー節約を実現します。 （VFD の動作は、故障した場合でも維持されます。）ただし、従来の電子バイパスよりも高価であり、設置面積も大きくなります。

セレクションガイド

バリュー エンジニアリング アプローチを使用する場合は、さまざまな HVAC アプリケーションに適切なバックアップを選択することを考慮する必要があります。 純粋に経済的な観点から見ると、これは、多くの場合、設計者/仕様者は、重要ではないアプリケーションのダウンタイムを完全に排除するのではなく、ダウンタイムの量を制限することを目指す必要があることを意味します。 言い換えれば、アプリケーションによっては、バックアップがまったくない場合も、適切なバックアップになる可能性があります。 障害発生時のダウンタイムを確実に制限するための手順が講じられている限り、切断付きの VFD は非クリティカルなアプリケーションには意味があります。 1 つのアプローチは、各フレーム サイズの予備の VFD を購入して手元に置いておくことです。 これは、すべての重要でないアプリケーションのバイパスを排除することで節約された資金で簡単に実行できます。 これらの節約は、重要なアプリケーションの冗長 VFD のコストをカバーするために転嫁することもできます。

以下は、バックアップを選択するときに尋ねる一連の質問です。

1. これは重要なアプリケーションですか? (クリーンルーム、病院の手術室や集中治療室、データセンターなど)

「はい」の場合は、冗長 VFD を指定します。 「いいえ」の場合は、質問 2 に進みます。

2. この重要ではないアプリケーションは、煙制御のための火災警報器に関連付けられていますか?

「はい」の場合は、スマート バイパス (または消防士のオーバーライドを備えた従来型) を指定します。 「いいえ」の場合は、切断のみを伴う VFD を指定します。

状況によっては、バイパスを使用すべきではありません。 たとえば、電源ファンにはバイパスを使用しないでください。 そうすることはシステム制御上意味がありませんし、経済的にも意味がありません。 VFD がバイパスに切り替わると、ダクトの過圧により損傷が発生する可能性があります。 これは、可変空気量システムに特に当てはまります。 たとえば、50Hz でバランスが取れている場合、VFD が 60Hz でバイパスされると大きな損傷が発生する可能性があります。 バイパスを使用する必要がある場合は、バイパス モードでの損傷を防ぐための措置を講じる必要があります。 制御はインラインダンパーが完全に開いていることを確認する必要があり、損傷が発生する前に VFD を遮断するために高圧リミット スイッチを追加する必要があります。 戻り排気ファンがある場合は、これを供給ファンと同期して制御する必要があります。

60Hz を超えるアプリケーションではバイパスを使用しないでください。 今日のエアハンドラーの多くは 60Hz を超えて動作します。 これらのシステムをバイパスに切り替えると、システムの周波数が 60 Hz に制限され、必ずしも損傷が発生するわけではありませんが、加圧不足やパフォーマンスの低下が発生する可能性があります。 このような場合、より良い選択肢は冗長 VFD システムです。 ファン アレイ タイプのアプリケーションでは、複数の負荷に対応するサイズの冗長 VFD を使用できます。 このようにして、プライマリ VFD に障害が発生した場合でも完全な制御が維持されます。 このタイプの設置では、各モーターを個別の過負荷によって個別に保護する必要があり、VFD の過負荷を無効にする必要があります。

バックアップ、バイパス、モータードライブパッケージの多くのオプションの中から選択するのは混乱する可能性があります。 選択プロセスを容易にするために、まずそれぞれの長所と短所を注意深く検討することを忘れないでください。

HVAC プロダクト マネージャーの Tommy Trullinger は、Cerus Industrial に 3 年間勤務しており、最初はアプリケーション コンサルタントとして、現在はプロダクト マネージャーとして働いています。 彼はオレゴン州ポートランドのコンコルディア大学を卒業し、ASHRAE の準会員です。

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