20 tの両桁クレーンは、クレーン1台分の負荷ではなく、1本の母線に載った5台のドライブと24.1 kWです。すべてのドライブに5%リアクトルを入れても、母線は8%の制限値に対して総合需要歪み18%付近に達します。ここでは実際に何が積み上がるのか、そしてどの対策がどのクレーンに属するのかを説明します。
20 tの両桁クレーンは、クレーン1台分の電気負荷ではありません。典型的なカタログ記載では、主巻16 kW、補巻2.6 kW、トロリモータ2台×0.55 kW、走行モータ4台×1.1 kWとなっています。これが1本の母線にぶら下がる5台のドライブに分散した24.1 kWです。これらが同時に動くと、高調波電流は変圧器に届く前に加算され、単機の計算ではメーターが何を読むかを予測できません。
今年、私は3件の現場に立ち会いました。いずれも新しい両桁クレーンが、10年間単桁クレーンで問題なく稼働してきた工場の系統を落とした事例です。3件とも、クレーンが不良品であるかのように議論されました。2件は母線の問題、1件は盤の冷却の問題で、クレーン自体が原因だったものは1件もありませんでした。
両桁クレーンが違う挙動を示す理由は、当サイトの単桁クレーンの記事が扱う必要のなかった2点に集約されます。ドライブの数が多いこと、そして16 tを超えると巻上機が2台になることです。巻上機が2台ということは、整流器が2台、制動制御が2系統、そして電磁接触器がまずいタイミングで復帰する機会が2回あるということです。以下に続く計算は、それらのドライブが互いに何をし合うかについての話です。
以下の内容はすべて、出典を明示した公表数値、規格の条項、あるいは当社が計算した数値のいずれかです。計算値は計画値として明示します。ベトナムの製鉄所における20 t両桁クレーンの高調波歪み調査など公表されたものは存在せず、存在するふりをするつもりはありません。
購入者が数えるより多い数です。10 tの単桁クレーンは巻上機1台、トロリ1組、走行モータ2台です。同じトン数の両桁クレーンは、各エンドカーリッジに2台ずつ載るため走行モータが4台になり、さらに16 t以上では軽荷重操作用の補巻が加わります。以下は5～40 tをカバーする標準的な両桁クレーンカタログからのモータ構成で、合計値は記載どおりです。
| 定格能力 | 巻上モータ | トロリモータ | 走行モータ | クレーン電力 | 母線上のドライブ数 | 400 V時の電流 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 t | 6.1 / 1 kW | 2 × 0.31 kW | 2 × 0.55 kW | 8.82 kW | 3 | 16.6 A |
| 10 t | 9.5 / 1.5 kW | 2 × 0.44 kW | 2 × 1.1 kW | 14.08 kW | 4 | 26.6 A |
| 20 t | 16 / 2.6 kW | 2 × 0.55 kW | 4 × 1.1 kW | 24.1 kW | 5～7 | 45.5 A |
| 32 t | 20 / 5.0 kW | 2 × 1.1 kW | 4 × 1.5 kW | 33.2 kW | 5～7 | 62.6 A |
| 40 t | 38 kW | 2 × 1.5 kW | 4 × 2.2 kW | 47.0 kW | 5～7 | 88.7 A |
| 50 t（欧州軽荷重） | 4 / 0.67 m/min、2速 | 20 / 5 m/min | 40 / 10 m/min、極数切替 | 44.4 kW | 4 | 83.8 A |
電流値は当社計算によるもので、400 V、力率0.85、モータ効率0.90、カタログのkW値を使用しています。ドライブ数は個別に開閉されるモータの台数で、これが高調波にとって重要です。それぞれのインバータを持つ各モータが、母線上のそれぞれの点で独自の電流歪みを注入するからです。当社の両桁クレーンの製品一覧も能力ごとに同じ内訳を公開しており、2つの見積書を比較する際にまず確認すべき点です。
50 tの行は少し立ち止まる価値があります。実在する公表機種で、スパン13.5 m、揚程6 m、ガーダ重量8,950 kg、総重量12,810 kg、最大静的車輪荷重134.5 kN、EN 13001-1による分類U4/Q2、電気機器44.4 kWです。インバータはどこにもありません。巻上は2速極数切替モータで4/0.67 m/min、走行も同じ方式で40/10 m/minです。これは覚えておいてください。心配すべき対象が変わってくるからです。
1台のガーダに巻上機が2台というのは、冗長性の機能ではありません。生産性の機能です。補フックは主フックの2～5倍の速度で動き、定格能力のおよそ4分の1未満の荷をすべて扱います。1日の大半を2 tの荷を吊って過ごす機械では、主巻は死荷重でしかありません。
大型両桁クレーンシリーズの公表構成表を見ると、そのパターンは明らかです。16 t以上では、すべての能力がペアで記載されています。
| 記載能力 | 主巻 / 補巻 | 主巻に対する補巻の割合 |
|---|---|---|
| 5 t | シングルフック | なし |
| 10 t | シングルフック | なし |
| 16 t | 16 / 3.2 t | 20% |
| 20 t | 20 / 5 t | 25% |
| 32 t | 32 / 5 t | 16% |
| 50 t | 50 / 10 t | 20% |
| 75 t | 75 / 20 t | 27% |
| 100 t | 100 / 20 t | 20% |
| 125 t以上 | 125 / 32 t以上 | 25～30% |
ここで電気的な話が単桁クレーンと分岐します。補巻は2台目の整流器であり、2系統目の制動制御回路であり、2本目のモータケーブルであり、しかも意図的に小さく設計されています。小型ドライブは、自身の負荷に対して電流歪みが最も悪いものになります。直流バスの静電容量や、リアクトルがある場合はそれも、高調波ではなく小さなフレームサイズを基準に選ばれるからです。同じ論理が発注時のホイスト・アクセサリー側にも当てはまります。小型のユニットほど単純とは限りません。
1本の母線上の2台の6パルス整流器は、平均化されません。共通のAC母線に接続された2台のドライブについての公表された実験室実証では、1台目から5次高調波10.9 Aが測定され、2台目を運転するとおよそ2倍になりました。Eatonのアプリケーションノートが述べるように、1足す1は2です。波形は似ており、位相角も似ており、似た角度は加算されます。
両極端の間であり、その差が議論のすべてです。都合のよい仮定は算術加算です。5台のドライブなら高調波電流は5倍。楽観的な仮定は二乗和平方根で、5台のドライブなら2.24倍。現実はその間にあり、ドライブがどれほど似ているか、整流器が位相シフトされているかによって決まります。
業界ではこれを合成指数（しばしばalphaと表記）で定量化します。指数1は相殺のない算術加算です。指数2は二乗和平方根で、位相角がランダムに分布する場合に得られる値です。2013年のIEEE論文（Cuk、Cobben、Ribeiro、Kling）は、2つの現場で並列インダクションモータドライブを1週間にわたり1秒分解能で測定し、6パルスと12パルスの両方のフロントエンドをカバーし、どちらの極端も正しくないというまさにその理由から、簡略合成のための係数を導出しました。
実務上重要なのは母線における総合需要歪み（TDD）であり、1台のドライブの総合高調波歪み（THD）ではありません。これらは別の数値であり、購入者はしばしば混同します。同一ドライブ群に対して2つの加算規則が何を生むかを示します。
| 母線上のドライブ数 | 算術加算時のTDD（リアクトルなし、THDi 100%） | 二乗和平方根時のTDD（リアクトルなし） | 算術加算時のTDD（5%リアクトル、THDi 40%） | 二乗和平方根時のTDD（5%リアクトル） |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 100% | 100% | 40% | 40% |
| 2 | 100% | 71% | 40% | 28% |
| 3 | 100% | 58% | 40% | 23% |
| 5 | 100% | 45% | 40% | 18% |
| 7 | 100% | 38% | 40% | 15% |
| IEEE 519-2022 制限値、Isc/IL 20～50 | 8% | 8% | 8% | 8% |
当社の計算で、ABBが公表している空調用ドライブの機種別THDi範囲と標準的な加算規則を使用しています。この表は居心地の悪い事実を示します。すべてのドライブに5%リアクトルがあり、位相角が完全に分散したとしても、5台ドライブの両桁クレーンは8%の制限値に対してTDD 18%に達します。リアクトルの追加は個々のドライブには絶大な効果がありますが、母線は依然として適合外です。
これはリアクトルを省く理由にはなりません。リアクトルがすべての答えだと信じるのをやめる理由です。単機では同じ表が40%から18%への低下を示しており、だからこそリアクトルは200ドルの価値があります。5台ドライブの機械では、同じリアクトルは100から18への改善をもたらし、種類の違う数字ではあるものの、依然として8には遠く及びません。
位相シフトはドライブ群に対する最も安価な実効的高調波対策であり、しかしクレーンで指定されることはほとんどありません。考え方は単純です。電気角で30度ずれた巻線から給電される2台の6パルス整流器は、180度ずれた5次・7次高調波を生成するため、共有母線では加算されずに相殺されます。6パルス1台と位相シフトした6パルス1台は、それらが出会う点で12パルス整流器のように振る舞います。
入手可能なフロントエンドについての公表された電流歪み値（ABBおよびSiemensの全負荷時のドライブ高調波データ）が、これがなぜ重要かを説明します。
| フロントエンド | 全負荷時の代表的な電流THDi | 5台ドライブ母線への影響 | クレーンでの現実的な採用状況 |
|---|---|---|---|
| 6パルス、リアクトルなし | 90～120% | 最悪ケースが支配的 | 低コスト制御盤でごく一般的 |
| 6パルス、2～3%リアクトル | 43～44% | 効果あり、ただし8超 | 一般的な後付け改造 |
| 6パルス、5%リアクトル | 34～45% | 角度が分散すれば15～18% | 空調では標準、クレーンでは稀 |
| 12パルス | 8.8% | 制限値付近、二巻線変圧器が必要 | クレーンでは稀、製鉄所では一般的 |
| 18パルス | 3.9% | 制限値以下 | 大型巻上機でごく稀に採用 |
| アクティブフロントエンド、2象限 | 1.3～5% | 制限値以下、力率1.0 | 高頻度使用の巻上機で採用増加中 |
| アクティブフロントエンド、4象限 | 1.2%、さらに回生あり | 制限値以下かつ制動エネルギーを回収 | プレミアム、およそ50 t超で正当化 |
公表された1つの実証は、この表よりも価値があります。共有母線上の同一の6パルスドライブ2台、位相シフト変圧器1台。5次高調波は1台あたり10.9 Aから、シフトなしで合計およそ21.8 A、シフトありでほぼゼロになりました。変圧器は何もフィルタしていません。同相の2つの波形を、逆相の2つの波形に変えただけです。
両桁クレーンではこれが実に現実的です。2台の巻上機は別個のドライブであり、同一である必要がないからです。主巻16 kW、補巻2.6 kWの20 t機なら、補巻を位相シフトした給電にするか、異なる結線群の小型専用変圧器から給電するだけで済みます。これにより、アクティブフロントエンドではなく巻線1つのコストで、2つの最大の発生源の間で5次と7次を相殺できます。
それが相殺しないのは、4台の走行モータです。これらは同一で、1組のインバータからマスター/スレーブで給電されるため、互いに完全に同相です。1台のインバータから給電される同一のドライブは、4つの高調波源ではありません。4つの負荷を持つ1つの発生源であり、だからこそ走行は通常最も問題が小さく、2台の巻上機が通常最も大きいのです。
いいえ、そしてここが多くの購入者が診断を逆にしてしまう点です。先に述べた50 t機は電気機器44.4 kWで、インバータはどこにもありません。巻上は4および0.67 m/minの2速極数切替。走行は40および10 m/minの2速極数切替。トロリは20および5 m/min。すべての動作が電磁接触器による切替です。
この機械は有意な高調波電流を発生しません。極数切替形誘導電動機は線形負荷だからです。代わりに別のものを発生します。全負荷電流の6～8倍の始動電流が、モータが加速完了速度に達するまで持続し、初回サイクルのピークはABBのドライブ資料によれば10～12倍に達することがあります。44 kWの機械では、それが始動のたびに500～800 Aの事象となり、M6定格では1時間に数百回起こります。
したがって2つの設計は、正反対の対策を必要とします。
| 症状 | 極数切替クレーン | VFDクレーン | 誤った対処 |
|---|---|---|---|
| 巻上げのたびに照明がちらつく | あり、始動電流による | 少ない、直流バスが限界の場合を除く | 変圧器を大きくする |
| 始動時に発電機がトリップする | 非常に起こりやすい | 容量不足なら起こり得る | 高調波フィルタを追加する |
| 中性線または接地線が発熱する | なし | あり、3次高調波による | ケーブルを交換する |
| コンデンサバンクのヒューズが飛ぶ | まれ | 典型的な高調波共振 | より大きなコンデンサを取り付ける |
| 電磁接触器の接点が荒れる | 多い、始動電流による | 少ない | 電磁接触器のブランドを変える |
| 正しい対策 | ソフトスタータまたはVFDへの後付け改造 | リアクトル、次にAFEまたは12パルス | 両方存在するが、互換ではない |
当社の計画値で、ABBが公表する始動電流比と、公表された50 t仕様書の動作速度に基づきます。結論はこうです。両桁クレーンの電源問題で最初に問うべきは、歪みが何かではありません。インバータがそもそも存在するのかどうかです。私は電磁接触器切替のクレーンに高調波フィルタが見積もられているのを見たことがあります。それは、必要のない変圧器を丁寧に売りつける言い方です。
母線はインダクタンスを持つ抵抗であり、クレーンはガーダがたまたまいる位置で集電するからです。給電端に停まっているクレーンはほとんど電圧降下を見ません。同じクレーンが遠端にいると導体全長を見ることになり、長いスパンでは数値は観念的なものではなくなります。
クレーンレールに使われる被覆導体システムの公表インピーダンス値、35 C、1 mあたり。
| 導体 | 定格 | インピーダンス（Ω/m） | 直流抵抗（Ω/m） |
|---|---|---|---|
| アルミニウム、ステンレス接触面 | 500 A | 0.000158 | 0.000098 |
| アルミニウム | 800 A | 0.000145 | 0.000075 |
| アルミニウム | 1000 A | 0.000138 | 0.000052 |
| 銅 | 500 A | 0.000162 | 0.000105 |
| 銅 | 800 A | 0.000138 | 0.000058 |
| 銅 | 1000 A | 0.000128 | 0.000035 |
同じ資料にあるメーカー自身の計算例が有用な部分です。スパンを共有すると何が起きるかが示されているからです。1000 Aのアルミ母線を2台のクレーンが合計900 Aで引き、スパン長245 m、片端給電で52.6 Vの降下。同じスパンを銅にすると48.8 V。1000 Aのアルミバー250 mを1台のクレーンが1000 A引くと59.7 V。400 V系統ではこれは13.2%と14.9%です。
これは常識的な制限をはるかに超えており、原因はクレーンではありません。長いスパンを片端から、バーの定格に近い電流で給電していることが原因です。この例が本当に示しているのは、共有レールはクレーンの問題である前に電気設計の問題であり、給電位置が導体材料よりも重要だということです。
IEC 60364-5-52 附属書Gは勧告であり強制ではありませんが、誰もがこれを基準に設計します。電灯回路は最大3%、その他の最終回路は最大5%、給電点から測定します。同じ附属書は、電動機の始動時の電圧低下は別途確認する必要があると明記しています。定常時の制限を満たすことは、始動時に許容できる低下を保証しないからです。
したがって両桁クレーンの問題は、その5%のうちどれだけを母線が食べるかです。以下の当社計算は、上記の公表インピーダンス、片端給電、400 V、そして最初の表のクレーン電流を使用しています。
| クレーン | 電流 | レール長 | 母線 | 電圧降下 | 400 Vに対する割合 |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 t | 45.5 A | 150 m | 1000 A Al | 1.63 V | 0.41% |
| 20 t | 45.5 A | 300 m | 1000 A Al | 3.26 V | 0.82% |
| 50 t | 83.8 A | 200 m | 1000 A Al | 4.01 V | 1.00% |
| 50 t | 83.8 A | 400 m | 1000 A Al | 8.01 V | 2.00% |
| 100 t | 170 A | 300 m | 1000 A Al | 12.2 V | 3.05% |
| 100 t | 170 A | 400 m | 500 A Al | 18.6 V | 4.65% |
| 50 t 2台同時 | 167.6 A | 400 m | 1000 A Al | 16.0 V | 4.01% |
| 公表例、クレーン2台 | 900 A | 245 m | 1000 A Al | 52.6 V | 13.2% |
公表された1 mあたりインピーダンスからの当社計算で、三相の標準式を用い、導体長は中央給電ならスパンの半分、片端給電ならスパン全長としています。すべての行が片端給電なので、比較条件は同一です。
結果はクレーンにとっては心強く、レールにとっては居心地の悪いものです。45～84 Aの両桁クレーン1台は許容分の0.4～2%を食べるだけで、これは問題ありません。2台が400 mのバーを共有すると4%を食べ、工場自身の幹線にほとんど残りません。900 Aで3台なら13.2%を食べ、これが公表例であり、共有スパンが破綻する一方で個々のクレーンは紙の上では正しく見える理由です。
電圧降下がメーターには現れないもう1つの側面があります。それは端子箱ではなく、集電子という可動接続部で起こります。長いバー上の断続的な集電接触は、業界が「遠端での動きの弱さ」と呼ぶものの典型的な原因です。接触器は保持し、モータは回り、それでも荷が上がらない。症状がガーダのスパン片端にいるときだけ現れるなら、盤ではなくクレーン側で電圧を測ってください。
加熱します。インバータ損失は定格kVAあたり40～50 W、つまり定格出力の3～5%と公表されています。力率0.85の45 kW巻上ドライブは約53 kVAに見えるため、全負荷損失は鋼製筐体内部の2.1～2.7 kWの熱になります。
クレーン盤設計者による公表計算例がこれを具体化します。QDY形冶金用主巻盤は約1.68 kWの損失を蓄積します。インバータ1.5 kW、母線0.07 kW、電磁接触器0.04 kW、電源0.02 kW、小物0.05 kW。筐体は2,000×800×600 mm、自立設置で、IEC TR 60890の関係式により有効放熱面積は5.712 m²。塗装鋼板は1 m²・1 Kあたり約5.5 W伝達します。15 K上昇時に筐体は471 Wを放熱します。
したがって自然放熱471 Wの筐体に1.68 kWの損失が入ると、1,680を5.5と5.712の積で割った上昇、つまり53.5 Kで落ち着きます。42 Cの工場では、その盤の内部は約95 Cで運転されます。
ここに2台目の巻上機を加えます。16 t超の両桁クレーンは2つのインバータ群を同じ筐体に入れ、盤を共有するため補巻も無視できません。
| クレーン | 設置ドライブ容量 | 3.5%時の発熱 | 15 K時の自然放熱 | ファンなしの定常上昇 | 周囲40 C時の内部温度 |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 t 単桁 | 14.1 kW | 0.49 kW | 471 W | 16 K | 56 C |
| 20 t 両桁 | 24.1 kW | 0.84 kW | 471 W | 27 K | 67 C |
| 32 t 両桁 | 33.2 kW | 1.16 kW | 471 W | 37 K | 77 C |
| 50 t 両桁 | 44.4 kW | 1.55 kW | 471 W | 49 K | 89 C |
| 50 t、ファンキット1台 | 44.4 kW | 1.55 kW | フィルタ付き空気250 m3/hで1,200 W | 約15 K | 約55 C |
当社計算で、公表された損失率、公表された筐体関係式、公表されたディレーティング曲線を使用しています。最終行は代表的なフィルタ付きファンセット250 m³/hを用いた参考値であり、ファン供給元の曲線が優先します。
なぜこれが特に歪みに関係するのか。公表されているインバータのディレーティングは、周囲40 Cを超える1℃ごとに定格出力電流の1.5%です。筐体内部が55 Cなら、ドライブには定格の77.5%しか残らず、45 kWインバータは35 kWインバータのように振る舞います。全負荷向けに選定されたモータに対して定格の78%で運転するドライブは、過電流でトリップするか、さらに悪ければ、仕様時に参照したデータシート値よりも電流波形の高調波含有率が多い歪んだ運転点で動き続けます。両桁クレーンにおいて盤の冷却は快適性の項目ではありません。高調波適合性の議論の一部です。
同じ資料から、まねる価値のある習慣が2つあります。制動抵抗器は筐体の外に置くこと。回生サイクル中に表面温度が300 Cを超えるからです。そして、壁面に盤を取り付ける際は必ず熱計算をやり直すこと。壁掛けの単一筐体は自立設置に比べて有効面積の約11%を失うからです。
場合により、そして余裕は多くの購入者が想定するより狭いものです。電磁接触器のコイルには引外し範囲と復帰範囲があり、復帰範囲は広いものです。公表されたある小型電磁接触器のデータシートでは、引外しが定格コイル電圧の85～110%、復帰が20～75%のどこかとされています。あなたの個体がその帯域の上限で復帰するなら、25%の電圧低下で落ちます。
両桁クレーンでは単桁よりこれが重要です。接触器の数が多く、失う動作も多いからです。4台ある走行接触器の1台を失うと、片端を3台のモータが駆動し、もう片端の1台は惰行することになり、マスター/スレーブ制御は残る3台をより強く押して補正しようとします。レールが乗り上がるのはこうして起こります。
| 出典 | 数値 | 現場での意味 |
|---|---|---|
| 公表された電磁接触器データシート | 引外し85～110%、復帰はコイル定格の20～75% | 25%の低下で最悪ケースのコイルは復帰し得る |
| IEC 60034-1、ゾーンA | 電圧±5%、周波数±2% | モータは安全、接触器はそうでないかもしれない |
| IEC 60034-1、ゾーンB | 電圧±10%、周波数+3～-5% | 定格トルクは得られるが温度上昇、短時間のみ |
| NEMA MG 1 | 電圧±10%、周波数±5%、合成で10%以内 | 北米の相当規格、やや緩い |
| EPRIのライドスルー研究 | 一般的な瞬低は5～15サイクル、83～250 ms | コイルが落ちて再投入するには十分な長さ |
| 発電機容量の実務 | モータは30～35%許容、設計者は20%に制限 | 20%という値はモータではなく接触器の話 |
実用的な対策はほとんど費用がかからず、ほとんど誰もやりません。制御回路を小型の定電圧変圧器、またはコンデンサ付き直流電源から給電し、コイル電圧が動力母線に追従しないようにするのです。もう1つの対策は、動作を同時ではなく順次指令することです。PLCなら無償でできます。
クレーンが月間ピークを決めているかどうかでまったく変わります。決めている場合、公表された産業用料金表がその損害を示します。ある農村電化協同組合の料率表では、購入電力デマンド1 kWあたりUSD 11.56、配電デマンド1 kWあたりUSD 11.81、合計で月額1 kWあたり約USD 23.37です。同じ表は、最大デマンド時の力率が97%未満の場合に請求デマンドを上方修正し、記録デマンドに97を実力率で割った値を乗じます。また月間平均が95%を下回ると、余剰kVARhあたりUSD 0.01009を課します。
リアクトルのない6パルスドライブは、ドライブの変位率が0.98であっても、歪み項が全体を引き下げるため実力率は0.69付近になります。これが24.1 kWのクレーンに何をもたらすかを示します。
| 力率 | 皮相デマンド | 請求デマンド | 月額ペナルティ | 年額ペナルティ | 想定原因 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.98 | 24.6 kVA | 24.1 kW | なし | なし | アクティブフロントエンド |
| 0.93 | 25.9 kVA | 25.1 kW | USD 23 | USD 281 | 5%リアクトル |
| 0.85 | 28.4 kVA | 27.5 kW | USD 79 | USD 953 | 2～3%リアクトル |
| 0.69 | 34.9 kVA | 33.9 kW | USD 229 | USD 2,748 | 6パルス、リアクトルなし |
| 0.69、2台が同時にピーク | 69.8 kVA | 67.8 kW | USD 458 | USD 5,496 | 同じ、倍 |
公表料金表とクレーンの24.1 kW、1 kWあたり月額USD 23.37に当社計算を適用したものです。正直な注意点が2つあります。これはクレーンが請求ピークと重なる場合にのみ効きます。鋳造工場やプレキャストヤードでは典型的で、クレーンがたまにしか動かない倉庫では典型的ではありません。また、電力会社がその特定の料金表を文字どおり適用することを前提としており、これは地域によって異なります。
効く場合、数百ドルのリアクトルが年間4桁のリターンを生みます。これが両桁クレーンにリアクトルを指定する商業的な根拠のすべてであり、良い市民であることとは何の関係もありません。
大型天井クレーンは最大4台の走行モータを同期運転し、同期はクレーン用インバータ1台のマスター/スレーブモードで行います。クレーン用途向けの公表ドライブデータでは、走行モータは始動時定格トルクの1.8倍、S4定格で通電率40%、1時間あたり最大360回始動、インバータ対応の絶縁はNEMA MG 1 Part 31とされています。
この構成にのみ属し、クレーン上の他の何にも属さない電気的故障モードが2つあります。1つ目はトルクの偏りです。1台のスレーブが遅れると、マスターが4台すべてのトルクを増やし、先行するエンドカーリッジが滑るかレールに乗り上げ、クレーンがレール上で斜行します。2つ目は、同じ直流バスに接続されたモータ間でケーブル長が大きく異なる場合の循環電流で、これはモータ間の不均一な発熱として現れ、サーマルカメラが故障コードよりはるかに早く見つけます。
どちらも高調波の問題ではなく、どちらも症状がトリップであるため高調波のせいにされがちです。トリップが走行中にだけ起こり、巻上では決して起こらないなら、それは電源品質の問題ではなくドライブの協調制御の問題を見ています。
ほぼ完全に決めます。ISO、FEM、CMAA、ASの分類を横断的に照合した巻上機の公表設計限界は、各クラスについて稼働時間と1時間あたり始動回数に厳格な上限を課しています。
| クラス | ISO / AS | FEM | CMAA | 1日あたり稼働時間 | 1時間あたり始動回数 |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 | M4 | 1Am | B | 2 | 180 |
| 5 | M5 | 2m | C | 4 | 240 |
| 6 | M6 | 3m | D | 8 | 300 |
| 7 | M7 | 4m | E | 16 | 360 |
| 8 | M8 | 5m | F | 16以上 | 360 |
M5の機械は、1日4時間で生涯におよそ800万回の始動を積み重ねます。M7の機械はその約4倍を積み上げます。クラスの上限が4倍高いからです。1回の始動あたりの高調波は変わりません。変わるのは、高調波と始動電流が工場内の他のあらゆるものと重なる始動の回数です。
ここで5～100 tのレンジが分岐し、しかも厄介な場所で分岐します。相あたり16～75 Aで公共低圧系統に接続される機器の高調波放出限界は、IEC 61000-3-12で定められています。45.5 Aの20 t両桁クレーンはその範囲内にあります。83.8 Aの50 tはその外にあり、同じ製品ファミリーが機器規格ではなく電力会社自身の歪み制限で評価されることになります。
| 文書 | 適用範囲 | 両桁クレーンの該当状況 |
|---|---|---|
| IEC 61000-3-2 | 相あたり入力電流16 A以下 | 最小の機械のみ、5 tでも16.6 Aで既に範囲外 |
| IEC 61000-3-12 | 相あたり16～75 A、690 V以下、50または60 Hz、公共低圧 | 5～32 tは範囲内、40 tと50 tは範囲外 |
| IEEE 519-2022 | 共通接続点における電流・電圧歪み、限界値は短絡比でスケール | 多くの輸出契約で適用される制限、比によりTDD 5～20% |
| IEC 60204-32:2023 | クレーン電源開閉器以降の巻上機械の電気設備、機械外部の導体バーやfestoonを含む、AC 1000 V以下 | レールへの給電をカバー、これはクレーン契約から最も漏れやすい部分 |
| IEC 60364-5-52 附属書G | 推奨電圧降下、電灯3%、その他最終回路5%、始動時低下は別途確認 | レールが食い込む許容分 |
| IEC 61800-5-1 | パワードライブシステムの電気安全、地絡保護を含む | ドライブは平滑な直流残留電流を生じ得るため、Type BまたはB+機器が必要 |
IEEE 519-2022の電圧表は持ち歩く価値があります。購入者が限定条件なしで引用するのはこれだからです。共通接続点が1 kV未満では、単一高調波5.0%、総合8.0%が限界です。1～69 kVでは3.0と5.0に厳しくなります。誰もが忘れる電流表は短絡比でスケールします。比が20未満では5次高調波4.0%、TDD 5.0%、比が1,000超では15.0と20.0に上がります。強固な電源を持つ工場のクレーンは、長い農村配電線の末端にある同じクレーンより余裕があり、機器は同一です。
地絡については、クレーン特有の点として、Type ACやType Aの機器は故障時にドライブが生じる平滑直流分によって「目を眩まされる」可能性があります。クレーン設備向けの公表機器資料は、長いケーブルでの不要動作に対する免疫化を備えたType BまたはType B+を推奨し、統合EMCフィルタはシールドモータケーブルの約5～10 m以内でのみ有効と宣言されていると注記しています。片端に盤、もう片端に巻上機がある両桁クレーンでは、その距離は日常的に超えられ、まさにその状況のために免疫化機器が存在します。
10行です。どれも有能なサプライヤーなら1ページで回答できます。数字の裏付けのない適合証明書より、私はこれらを望みます。
1. 個別に開閉されるモータの台数、およびそれぞれのフロントエンドが6パルス、12パルス、アクティブのいずれか。2. リアクトルまたはフィルタの有無、百分率インピーダンス、AC側か直流リンクか。3. 母線の材質、定格電流、給電点の数と位置、実際のスパン長におけるクレーン電流での計算降下量。4. 何台のクレーンがバーを共有し、設計がどの同時性を仮定しているか。5. 盤の発熱量（kW）、冷却方式、夏季の盤設置場所の周囲温度。6. コイル電圧と保持許容範囲、制御回路に専用変圧器があるか。7. インバータを搭載する場合のNEMA MG 1 Part 31に基づくモータ絶縁。8. 地絡保護機器の種類と設定、多周波残留電流に対する免疫性の有無。9. ISO 4301、FEM、CMAAによる運転等級と1時間あたり始動回数。10. サプライヤーがどの高調波制限に基づいて設計しているか、また測定点はどこか。
見積書に「クレーンはCEマーキング済み」とだけ書かれているなら、その10項目はどれも回答されていません。これはCEマーキングへの批判ではありません。CEマーキングは、あなたのスパンにある10台目のクレーンについて何も語らないという指摘です。
既に稼働中の機械については、以下の作業順が私が実際に行う順序で、優雅さではなくリターンで並べたものです。
| 対策 | コスト | 解決する内容 | 回収期間 |
|---|---|---|---|
| 盤を高温域から移動し、ファンキットを追加 | USD 400～1,500 | 内部上昇20～25 K、ドライブ定格を全回復 | トリップが頻繁なら1年未満 |
| 制御回路を定電圧源から給電 | USD 200～600 | 電圧低下時の電磁接触器の復帰 | 即時 |
| リアクトルのない全ドライブに5%リアクトル | 1台あたりUSD 200～600 | THDiが約100から約40%へ、力率が0.69から0.93へ | デマンド料金で6～18か月 |
| レールのスパン中央に2つ目の給電点 | USD 1,500～5,000 | 長いスパンの電圧降下を半減 | 遠端での動きの弱さに対する唯一の根本策 |
| 補巻への位相シフト給電 | USD 2,000～6,000 | 2つの最大ドライブ間で5次・7次を相殺 | 制限値により2～6年 |
| 主巻へのアクティブフロントエンド | プレミアムUSD 3,000～9,000 | THDi 5%未満、力率1.0、回生 | 3～8年、高頻度使用ならより早い |
| クレーンではなく工場母線への高調波フィルタ | USD 4,000～12,000 | 複数のクレーンが寄与している場合の共有問題 | 母線上の他の負荷に完全に依存 |
| 電磁接触器切替クレーンへの高調波フィルタ取付 | USD 3,000～8,000 | 何も解決しない、整流器が存在しないため | 永久に回収せず。代わりにソフトスタータを |
コストは2026年時点の当社計画値で、欧州および中東向け供給のものです。最終行は意図的に表に入れています。私が最も頻繁に見る誤りであり、しかも「フィルタ」という言葉が工学っぽく響くために承認されてしまう誤りです。
はい、ただし人々が想定する理由ではありません。2台の巻上ドライブは、電流が変圧器に届く前の母線で高調波電流を加算し、位相角の似た同種のドライブはほぼ算術的に加算されます。公表された実験室実証では、1台のドライブの5次高調波が10.9 A、2台目を運転するとおよそ2倍になりました。補巻のほうが厄介なのは、容量が小さく不利な運転点で動くからです。当社の両桁クレーンシリーズが2台の巻上機を別々に記載しているのは、まさにこの理由からです。
いいえ、そしてここが購入者を驚かせる部分です。リアクトルは個々のドライブの電流THDiをおよそ100%からおよそ40%に下げ、これは大きな改善で費用に見合います。5台ドライブの母線では、位相角が完全に分散しても結果の総合需要歪みは依然として15～18%付近に落ち着き、IEEE 519の制限値8%に対して超過します。リアクトルは必要ですが十分ではありません。残りの差を埋めるのは位相シフトかアクティブフロントエンドです。
母線が回路そのものであり、クレーンは到達した位置で集電するからです。公表された導体資料では1000 Aのアルミバーで1 mあたり0.000138 Ω、これに900 Aを引くクレーンが共有する245 mのスパンを当てはめると52.6 Vの降下、つまり400 Vの13.2%になります。45～84 Aの両桁クレーン1台なら0.4～2%しか消費しないので、見ている症状はほとんどの場合、共有スパンが原因です。何かを交換する前に、スパン中央の給電点を追加してください。
はい、実際に多くあります。公表された50 t、13.5 mスパンの両桁クレーンは、電気機器44.4 kW、巻上・トロリ・走行すべて2速の極数切替モータで、ドライブはどこにもありません。極数切替形誘導電動機は線形負荷なので、この機械は高調波電流をほとんど発生しません。代わりに全負荷の6～8倍の始動電流を発生し、正しい対策はフィルタではなくソフトスタータです。高調波対策を受け入れる前に、どちらの設計を買っているのかを確認してください。
2つのインバータ群が1つの筐体を共有し、インバータ損失が定格出力の3～5%に達するからです。公表された計算例では、45 kW巻上機の盤1面で内部損失1.68 kW、この筐体は15 K上昇時に自然放熱471 Wなので、53.5 K上昇で落ち着き、工場内42 Cでは内部が約95 Cになります。インバータは40 Cを超える1℃ごとに出力電流が1.5%ディレーティングされるため、45 kWドライブは35 kWドライブと同じ働きしかしません。ファンキットを取り付け、制動抵抗器は盤外に置いてください。
盤の冷却、次に制御回路の電圧、その次にリアクトル、この順です。4番目に元が取れるのはレール上の2つ目の給電点ですが、症状が歪みではなく遠端での動きの弱さである場合に限ります。工場が力率調整を適用しているなら、24.1 kWのクレーンに数百ドルのリアクトルを入れることで、実力率0.69において年間約USD 2,700を節約できます。これはデマンド1 kWあたり約USD 23.37を課す公表料金表に基づきます。
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