スマートモータ制御で耐性と稼働時間を最大限に高める方法

次世代のインダストリ4.0では、製造、金属および基礎材料の加工、鉱物採掘、飲料水や廃水プラントなどの重要なインフラにおいて、機械の耐性と稼働時間を最大限に高めるスマートモータ制御が必要です。

これらのアプリケーションのモータ制御は、75馬力（HP）から700HPのモータを制御および保護できなければなりません。耐性のある運転をサポートするためには、過負荷保護、地絡保護、位相不均衡保護を含む包括的な保護が必要です。

また、予知保全をサポートするために、可視インジケータによる接点の摩耗の自己診断やコイルの過電圧/不足電圧を検知する機能も必要であり、また稼働時間を最大限に確保するために、より迅速な修理が可能なモジュール設計であることも求められます。米国電気工事規定（NEC）、UL、国際電気標準会議（IEC）の短絡電流定格（SCCR）に準拠することは、電気機器が損傷することなく大電流に耐え、安全であることを保証するために必要です。

また、これらのモータ制御は、IEC 60947-4-1にも準拠する必要があります。これは、モータ保護開閉機器（MPSD）、即時起動専用モータ保護開閉機器（IMPSD）、およびコンタクタリレーのアクチュエータを含む、電気機械式コンタクタおよびスタータの安全性をカバーするものです。

この記事では、まずSCCRの要求事項の概要について説明します。次に、モジュール式コンタクタや過負荷リレーなど、Schneider Electricが最近開発したスマートモータ制御のファミリについて詳しく説明し、保護機能の動作と自己診断の実装方法についても詳しく説明します。

また、これらの過負荷リレーがIEC 60947-4-1の要求事項をどのように満たしているか、また、モジュール設計がどのように予防保全を迅速化するかについても紹介します。最後に、2つのコンタクタを使用して逆転可能な機器を組み立て、ACモータの双方向制御を可能にする方法についても説明します。

SCCRは、全体的な信頼性に寄与する制御盤を指定する際に不可欠な特性です。これは、コンタクタや電線のような電力部品のサイズを決める際に使用されます。IEC 60947-4-1には、SCCRを計算するための以下の3つの段階が詳しく説明されています（図1）。

1. 各保護および/または制御コンポーネント、配電系統の各ブロックおよびエレメントのSCCRを特定します。
2. 各分岐回路のSCCRを決定します。回路内の部品の値に基づきます。
3. 制御盤全体のSCCRを決定します。回路内の値に基づきます。

図1: SCCRの計算は、個々のコンポーネントの定格(黄色のボックス)から始まり、分岐回路(赤色の破線ボックス)のSCCRを決定し、完成した制御盤(灰色の四角形)のSCCRの必要性を考慮します。（画像提供：Schneider Electric）

TeSys Gigaコンタクタ

TeSys Gigaコンタクタは、定格115～900アンペア（A）の3極（3P）と4極（4P）の構成で、ご利用いただけます。このコンタクタは、最大100 kA (キロアンペア)および480 V (ボルト)のSCCRを備え、各種保護デバイスおよび定格の仕様はコンタクタの側面の表に記載されています。さらに、4Pコンタクタには、AC-3およびHPモータの定格が表示されています。これらのコンタクタは、以下の2つの負荷カテゴリに対応しています。

• AC-1 - 力率が0.95を超えるAC負荷に適用されます。これらは主に、非誘導性またはわずかに誘導性の負荷であり、抵抗負荷などがあります。アークを遮断することで、アーク放電と接点摩耗を最小限に抑えることができます。
• AC-3 - モータの通常の運転中に遮断が起こる、かご形モータに適用されます。閉路時には、モータの定格全負荷電流の最大7倍の突入電流が流れます。開路時には、コンタクタがモータの定格全負荷電流を遮断します。

TeSys Gigaコンタクタは、交流（AC）または直流（DC）の制御電圧で供給でき、サージ抑制器を内蔵しています。コンタクタには、標準型と高度型の2つのバージョンがあります。標準コンタクタは、一般的な用途向けに設計されています。たとえば、次のようなものがあります。

• LC1G1154LSEN、4PでAC-1負荷用。定格250A、200～500V AC/DCワイドバンドコイル
• LC1G225KUEN、3PでAC-3負荷用。定格225A、100～500V AC/DCコイル

高度なTeSys Gigaコンタクタには、より幅の広いコイル電圧、低コイル消費電力、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）入力、ケーブルやバスバー接続を取り外すことなくメンテナンスが可能なケーブル設計などの追加機能があります。

高度なモデルは、次のセクションで説明するオプションのリモート摩耗診断（RWD）モジュールにも対応しています。高度なコンタクタの例としては、以下のようなものがあります。

• LC1G115BEEA、3PでAC-3負荷用。定格115A、24～48V AC/DCコイル
• LC1G800EHEA、3PでAC-3負荷用。定格800 A、48～130V AC/DCコイル

すべてのTeSys Gigaコンタクタには、前面パネルに診断LEDが装備されており、 故障状態を素早く評価することができます（図 4）。

図2：標準的なTeSys Gigaコンタクタのユニット上部中央に診断LEDが表示されています。（画像提供：DigiKey）

TeSys Gigaコンタクタには、信頼性を向上させ、予防保守をサポートするために、以下のような統合診断機能がいくつか備わっています。

接点摩耗診断およびRWD

接点は、電源回路の電流を遮断するたびに摩耗します。接点の故障は、モータ制御の喪失につながります。TeSys Gigaコントローラの接点摩耗アルゴリズムは、接点の残りの寿命を継続的に計算します。残り寿命が15%を下回ると、警告が発せられ、予防保守のスケジュールを立てることができます。

• ローカルアラートは、コンタクタ前面の診断LEDに表示されます。
• オプションのRWDモジュールは、高度なコンタクタと併用できます。

制御電圧診断

制御電圧は不足電圧と過電圧の状態を監視します。診断表示は、オプションのリモートデバイス管理（RDM）モジュールを使用することで、LSEMCで終わる部品番号のユニットでリモート診断表示が可能になります。不足電圧とは、電源電圧が最小仕様の80%未満であること、過電圧とは、電源電圧が最大仕様の110%以上であることを意味します。

内部機能診断

診断LEDの連続点滅は、制御回路の内部故障を示します。

モータ保護用開閉機器

TeSys Gigaコンタクタのようなスマートモータ制御は、インダストリ4.0において重要な役割を果たします。MPSDの使用も、最大の生産性と可用性を確保するための重要な考慮事項です。

IEC 60947-4-1では、MPSDは過負荷状態からモータを保護するために遅延して設計された機器を指します。第2のタイプの機器であるIMPSDは、過負荷を検出すると即座にトリップする特定のタイプのMPSDです。IMPSDは通常、ACモータ保護とは関係ありません。

アプリケーションによっては、モータの始動に数秒から数十秒かかることもあります。MPSDは、迷惑なトリップを回避しつつ安全性を確保するために、アプリケーションの要件を満たすように指定する必要があります。

特定のアプリケーションのニーズを満たすために、IEC 60947-4-1は過負荷リレーのいくつかのクラスを定義しています。トリップクラスは、過負荷が発生した時にリレーが開くまでの最大時間を示します。

北米とIECのトリップクラスには違いがあります。たとえば、クラス10は北米のトリップクラスで、過負荷電流設定の600%を検知してから4～10秒以内に過負荷をトリップさせます。クラス10AはIECのトリップクラスで、過負荷電流設定の720%を検出してから2～10秒以内に過負荷をトリップさせます（表 1）。

表 1：定格電流（Ir）に基づく熱過負荷リレークラスの例。（表提供：Schneider Electric）

トリップクラス10Aおよび10は、通常のモータに適しています。クラス20は、迷惑なトリップを避けるため、高負荷モータに推奨されます。クラス30は非常に始動時間の長いモータに使用されます。

TeSys Giga過負荷リレー

TeSys Gigaの熱過負荷リレーは柔軟性が高く、ACモータ用に設計されています。地絡保護、位相不均衡保護、トリップクラス（5、10、20、30）の設定は、フロントパネルで設定可能です。フロントパネルには、アラームLEDとステータスLEDも搭載されています。また、調節可能な熱過負荷保護範囲が広いため、4つのモデルが重なり、28A～630Aまでのアプリケーションに対応できます（図3）。

LR9G115、28～115 Aまで調節可能

LR9G225、57～225 Aまで調節可能

LR9G500、125～500 Aまで調節可能

LR9G630、160～630 Aまで調節可能

図3：TeSys Giga過負荷リレーのフロントパネルには、ステータスLEDと保護調節が備えられています。（画像提供：DigiKey）

熱過負荷

熱過負荷保護は、単相および3相非同期モータで使用されます。熱過負荷保護用の電流レベルは、使用されている過負荷リレーのモデルに基づいて調節することができます。さらに、トリップクラスと関連する遅延は調節可能です。熱過負荷保護は、自動または手動リセットに設定できます。

位相損失

位相損失保護は、3相非同期モータを過熱から保護するために使用されます。過負荷リレーは各相の電流を常時監視します。一方の相の電流値が定格電流（Ir）の0.1より小さく、他方の相の電流値がIrの0.8より大きい場合、過負荷リレーは4±1秒以内に作動します。位相損失保護は無効にすることはできないため、手動でリセットする必要があります。

位相の不均衡

位相の不均衡は非同期モータの過熱を引き起こします。一般的な原因は以下の通りです。

• 長い主電源ライン
• インカマースイッチの接点不良
• 不均衡なネットワーク

不均衡率が40%を超えると、5±1秒で過負荷リレーが作動します。位相不均衡保護は手動でリセットする必要があります。

地絡

地絡保護は、3相非同期モータの保護に使用されます。地絡は、負荷回路の絶縁が振動、湿気、またはその他の要因によって効かなくなったときに発生します。過負荷リレーは接地電流（Ig）を監視します。IgがIrの10%を超えると、リレーは1±0.2秒でトリップします。地絡保護は手動でリセットする必要があります。

モジュール方式

モジュール設計のTeSys Gigaコンタクタは、接点が過度に摩耗した場合、または過負荷やその他の異常な動作条件でコントローラが損傷した場合に特に役立ちます。また、異なるコイル電圧に対応するために制御モジュールを交換したり、消耗した極を交換するために開閉モジュールを交換したりすることもできます。

オプションのキットを使用することで、ケーブルメモリ機能を実装し、迅速なメンテナンスを行うことができます。一度取り付けた制御モジュールや開閉モジュールは、ケーブルを取り外すことなく、素早く交換することができます。

可逆式

可逆コンタクタは、コンベヤ、エレベータ、梱包ラインなどの用途で、ACモータの回転方向を変えるために使用されます。このコンタクタは、接続の極性を逆にすることで、モータを逆方向に回転させます。

可逆コンタクタは、2つの機械的にインターロックされた標準コンタクタを使用して作ることができます。インターロックは、コンタクタが同時にオンになるのを防ぎます（図6）。

図4：2つのTeSys Gigaコンタクタをインターロックして、ACモータ用の可逆コンタクタを構成します。（画像提供：Schneider Electric）

たとえば、以下の部品を使用して、AC/DCコイルが100～250Vで、定格200HP、460Vの可逆コンタクタを構築できます（図6）。

• LC1G265KUEN、TeSys Gigaモータコントローラ、2個必要
• DZ2FJ6、コンタクタラグキット
• LA9G3612、スプレッダ
• LA9G3761、バスバー
• LA9G970、メカニカルインターロック

まとめ

TeSys Gigaコンタクタと過負荷リレーは、幅広い用途で耐性と稼働時間を最大限に高めることができる汎用性の高いデバイスです。コンタクタの定格は115～900Aで、3Pと4Pの構成があります。また、最大100kA 480VのSCCRを備え、モジュール設計のためメンテナンスが容易です。

プログラマブル過負荷リレーは動作電流範囲が広いため、少数のデバイスで多くのアプリケーションのニーズを満たすことができます。最後に、2つのTeSys Gigaコンタクタをメカニカルインターロックシステムで接続することにより、双方向モーションコントロールが実現できます。