回転数を落としても、電気代が下がらない機械がある ― インバータの省エネは、相手で決まる

インバータを入れた理由が、省エネではないことがあります。

速度を落としたい。それだけの理由で、直入の回路をインバータに置き換える。

そして、よく聞く言い方があります。

「インバータを入れれば省エネになる」

半分は正しく、半分は違います。省エネになるかどうかは、インバータではなく相手の機械が決めています。

動力が3乗で減るのは、流体を相手にする機械

遠心ポンプや送風機では、回転数を落とすとこうなります。

• 流量は、回転数に比例して減る
• 圧力は、回転数の2乗で減る
• だから動力は、回転数の3乗で減る

なぜそうなるのか。

• 流量 ── 羽根車が1回転で押し出す量は変わりません。回転が2倍なら、同じ時間に2倍送ります
• 圧力 ── 羽根の先が流体を動かす速さが2倍になります。速さで与えるエネルギーは2乗で効くので、圧力は4倍
• 動力 ── 動力は圧力と流量の掛け算です。2乗 × 1乗で、3乗

数字にすると効き方が分かります。

2割落として、半分。これがインバータの省エネが大きく語られる理由です。

相手が変わると、落ち方が変わる

コンベアやロール駆動のように、速度を変えてもトルクが変わらない機械があります。動力はトルクと回転数の掛け算なので、回転数に比例するところまでしか落ちません。80%にすれば80%です。

定出力負荷は、機械の側が「一定の出力」を要求する負荷です。速度が落ちれば、トルクが上がらないと出力が保てません。工作機械なら、低速で重い切削、高速で軽い仕上げ。

こちらは、速度が落ちたぶんトルクが上がります。動力はトルクと回転数の掛け算なので、掛け算の答えが変わりません。（ある速度より上の範囲での話です）

定トルク負荷では、動力が下がっても電力量は下がらない

ここが、この記事の核心です。

コンベアで、決まった量の物を運ぶとします。速度を半分にすれば、動力は半分になります。ただし、同じ量を運び終えるまでに2倍の時間がかかります。

動力が半分、時間が2倍。掛け合わせると、使う電力量は同じです。

そして、そこにインバータとモータの損失が加わります。半分の速度でも定トルクなら電流はほとんど変わらないので、モータの銅損は減りません。変換のたびに出る熱と合わせて、電力量はむしろ増えます。

逆に、回す時間のほうが決まっている機械では、話が変わります。シフト中ずっと動いているコンベアを、実際の投入量に合わせて遅くする場合です。時間が延びないので、動力が下がったぶんがそのまま減ります。

「同じ速度で回すのに、どの方法が損か」という比較とは別の話です。同じ回転数を二次抵抗で作れば、落とした分がそのまま熱になります。ここで比べているのは、速度を落とすか落とさないか。問いが違うので、答えも違います。（二次抵抗で速度を落としたときに何を捨てているかは、記事「すべり4%は、そのまま4%が熱になる」で説明しています）

基本料金に効くのは、平均であって瞬間ではない

ここまで見てきたのは、電力量（kWh）の話です。電気代にはもう一つ、最大需要電力（kW）で決まる基本料金があります。

定トルク負荷で電力量が減らなくても、運転中の動力は下がっています。ただし、それが30分の平均に効くかどうかは、運転が続く長さで決まります。運転が30分より長く続くなら、その間の平均は下がります。30分の枠に収まってしまう仕事なら、図2と同じことが起きます。動力が半分でも時間が2倍なら、30分の中の電力量は変わらないので、平均も変わりません。

一方、始動電流はほとんど効きません。30分の平均で決まる以上、数秒の始動は平均をほとんど動かしません。始動電流を抑えることの値打ちは、電源やケーブルや遮断器の側にあります。（この理由は記事「スターデルタ始動でも、モータの発熱は減らない」で説明しています）

ただし、最大需要電力は設備全体の合計で決まります。1台変えたことが基本料金に現れるかどうかは、実際の需要のかたちを見ないと分かりません。ここも、測ってから判断する話です。

それでも、インバータを入れる理由はある

省エネにならない相手だからといって、インバータが無駄なわけではありません。入れる理由は、少なくとも2つあります。

• 速度を変えたい ── 冒頭の案件がこれです。極数を変える方法もありますが、選べる速度が決まった値に限られます（この理由は記事「極数を増やせばインバータは要らないのでは？」で説明しています）
• 始動電流を抑えたい ── 直入では定格の6倍が流れます（この理由は記事「始動電流は6倍なのに、始動トルクは1.5倍しか出ない」で説明しています）

3乗で効く相手でも、限界はある

どこまでも落とせるわけではありません。回転速度制御が有効なのは負荷率40%程度までとされていて、それ以下では機器の容量を見直すか、台数制御と組み合わせることになります。

まとめ

• インバータで回転数を落としたとき、動力がどう減るかは相手の機械で決まる
• 遠心ポンプや送風機は、流量が1乗、圧力が2乗、動力が3乗。2割落として約半分
• コンベアやロール駆動のようにトルクが変わらない機械では、動力は回転数に比例するところまでしか落ちない
• 工作機械の主軸のように出力が一定の機械では、動力は変わらない
• 定トルク負荷で速度を落としたとき、運ぶ量が決まっているなら電力量は減らない。回す時間が決まっているなら、動力の下がったぶんだけ減る
• 減らない側では、インバータとモータの損失が加わるぶん、むしろ増える
• 電力量が減らなくても、運転が30分より長く続くなら、その間の平均は下がる
• 3乗で効く相手でも、負荷率40%程度が目安の限界
• インバータを入れる理由は省エネだけではない。速度と、始動電流

参考にした資料

• ポンプや送風機の回転速度調整による省エネとは？（J-Net21） ── 流量・圧力・動力と回転数の関係、20%減速で0.51になる計算
• ポンプ・ファンの回転数制御による省エネの実際（日本電気技術者協会） ── ファンのトルクが回転数の2乗に比例すること、回転数制御の適用範囲が負荷率40%程度であること
• インバータ（日本電機工業会） ── 使用する電力が回転数の3乗に比例して減ること
• インバータによる省エネ ハンドブック（セイクン） ── 負荷の3分類、定トルク負荷では運転時間が延びて相殺されること
• インバータ運転での負荷のトルク特性（住友重機械） ── 定トルク特性負荷の例としてコンベア・昇降装置が挙げられていること
• 契約電力と30分デマンド値の関係について（J-Net21） ── 最大需要電力が30分間の平均電力として計測されること、契約電力が当月と過去11か月の最大値で決まること（高圧受電で契約電力500kW未満の場合）