紙 の 上 の 魔法使い: インバータの基礎知識 1 / インバータの基底周波数と基底周波数電圧 - メールマガジンバックナンバー2005年07月-住友重機械工業株式会社 Ptc事業部
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先ほど誘導モータはRL回路と等価である,と書いた. また,インバータは変調されたパルス波を出力している,とも書いた. そして,インバータの出力は誘導モータに接続されている. つまり, 誘導モータは,インバータ出力のパルスに対してRL応答 を示す のだ. 実際に三相インバータの出力をRL回路にひっつけて,シミュレータを回してみる.多少高調波成分やら応答遅れやら含まれているので,RL応答とパルスの正負が対応していないところもあるが,ざっくりイメージとして見て欲しい. 矩形波の周期が長いときは,なんだかいびつな曲線にしか見えない, 三角波周波数:正弦波周波数=1:1 赤色がRL回路の端子電圧波形,緑がパルス(相電圧). RL回路は何となく過渡応答しているのが,おわかりいただけるだろうか?先ほど示した緩やかに飽和する波形が繰り返されているのだ. 三角波周波数:正弦波周波数=3:1 さらに,PWMの三角波の周波数を上げて スイッチング回数を増やしていくと, 驚くべきことに,RL回路の電圧波形は交流に近づいていくのだ. 三角波周波数:正弦波周波数=9:1 三角波周波数:正弦波周波数=11:1 ここら辺までスイッチング回数を増やすと,もうほとんど交流だ. 三角波周波数:正弦波周波数=27:1 シミュレータとはいえ,この波形が直流から作られたのを目の当たりにして,かなり興奮した(自分だけ?) 三角波の周波数を上げる=スイッチング周波数を上げる=滑らかな交流が出せる 以上のしくみで,インバータは交流をつくっている. VVVFとは何か? では最後に「 VVVF 」とは何なのか? を次に説明していく. かなり込み入った話になってくるが,頑張ってわかりやすく解説していく. なぜ電圧と周波数を変える必要があるのか? VVVF = 可変電圧 / 可変周波数 ( V ariable V oltage / V ariable F requency)のこと. なぜインバータが電圧や周波数を変える機能を持っているのか? ざっくりいうと モータの速度を変えるため である. 誘導モータの回転スピードを変えるためには,電磁力を発生させる 磁束の回転速度を変える 必要がある. では,磁束の回転速度はどのように変えるのか? それは モータに入る交流の周波数 によって変わる. インバータから出力される交流の周波数が高いほど(プラスマイナスが速く変化するので),磁束の回転も速くなる.磁束が速く回転すれば,電磁力によって円盤(車輪)も速く回転するのだ.
電車は「誘導モータ」で走る. 誘導モータを動かすためには,三相交流の電圧・電流が必要. VVVFインバータは ,直流を交流に変換し,誘導モータに三相交流をわたす役割を担っている. VVVFインバータの前提知識 VVVFインバータ説明の前に,前提知識を簡単に説明しておく. 誘導モータとは? 誘導電動機(引用: 誘導電動機 – Wikipedia ) 誘導モータを動かすためには, 三相交流 が必要だ. 三相交流によって,以下の流れでモータが動く. 電流が投入される モータの中にあるコイルに電流が流れて 電磁誘導現象発生 誘導電流による 電磁力発生 電磁力で車輪がまわる 誘導モータの詳しい動作原理については,以下の記事を参照. とりあえず,誘導モータを動かすためには 誘導モータ: 電磁誘導 と 電磁力,三相交流 で駆動する くらいを頭に置いておけばいいと思う. 三相交流とは? 交流 は,コンセントにやってきている電気のこと.プラスとマイナスへ,周期的に変化する電圧・電流を持っている. 一方, 直流 は「電池」.5Vだったら,常に5V一定の電圧が出ているのが直流.電圧波形はまっすぐ(直流と呼ばれる理由). 「 三相 」は名前の通り, 位相が120°ずつずれた交流を3つ 重ねた方式のこと. 日本中に張り巡らされている電力線のほとんどが「三相交流」方式.単相や二相じゃダメ?と思うかもしれないが, 三相が一番効率がいい (損失が少ない)ので三相が使われているのだ. 三相交流=モータの駆動に必要 交流を120°ずらして3つ重ねると損失が少ない インバータの概要と役割 トランジスタとダイオードを組み合わせた回路=三相インバータ 三相交流と誘導モータの知識をふまえた上で,インバータの話に入る. インバータがやっていること インバータ(Inverter) は,「 直流を交流に変える 」機器. コンバータ(converter) は,「 交流を直流に変える 」機器. 鉄道では「三相インバータ」が使われている. 頭に「三相」とついているのは「三相交流」で誘導モータを動かすためだ. じゃあ具体的に三相インバータは何をしているのか?というと・・・ 「 コンバータから受け取った直流を,交流に変えて,モータに渡す 」役割をしているのだ. なお,インバータは電線からとった電力をいきなりモータに入れるわけではない.
PWM制御の正弦波周波数=インバータ出力の交流周波数=モータのスピード変化 インバータから出す交流の周波数を変化させるためには, PWM制御における正弦波の周波数を逐次変える必要がある. しかし三相インバータ回路だけでは,PWMの入力正弦波周波数が固定されている. そこで実際の鉄道に載っているインバータでは, 制御回路(周波数自動制御) を別に組み込んで,自動的にPWMの正弦波周波数を,目標スピードに応じて変化させているのだ.この周波数を変化させる回路が,結局のところ「 VVVF 」であると思われる. 同期パルス変化=インバータの音の正体 先ほど,インバータの交流生成のところで 三角波の周波数を上げる=スイッチング周波数を上げる=滑らかな交流が出せる というポイントを述べた. では,PWMで三角波の周波数をずっと高いまま,目標となる正弦波の周波数も上げたり下げたりすればいいではないか?と思うかもしれない. たしかに,三角波の周波数を上げっぱなしで目標周波数の交流を取り出すこともできる. しかし,三角波の周波数を上げることで,スイッチング周波数が上がるという問題がある.スイッチングの周波数が上がってしまうと, スイッチング素子における損失が大きくなってしまうのだ. トランジスタは結局スイッチの役割をしていて,周波数が高いということは,そのスイッチを沢山入れたり切ったりしなければならないということ.スイッチの入切は,エネルギーを消費する.つまり,スイッチング回数を増やすと損失もそれだけ増えるのだ.損失が大きいというのは,効率が悪いということ.電力を無駄に使ってしまう. エネルギを効率よく使うため,実際の電車においてスイッチングの周波数は上限が設けられている,たとえば東海道新幹線N700系新幹線は1. 5kHz. インバータは省エネに貢献しているのだ 電車が加速するとき, 三角波と正弦波周波数比を一定に保ったまま,正弦波の周波数は上がる . 正弦波の周波数上昇にともなって, スイッチング周波数も上がっていく . スイッチング周波数が設定された上限に達したら,制御回路が自動的にPWMの 三角波の周波数を下げている("間引き"のイメージ) . そうすると,正弦波の周波数は上昇するが,矩形波のパルス幅が大きくなって("間引き"のイメージ),スイッチング周期は長くなる(⇔出力される交流は"粗く"なる).
振幅がいろいろなパルス波が出力されている なお,上図の波形を生成する場合, 三角波をオペアンプのマイナス側 正弦波をオペアンプのプラス側 へ入力すればよい. そうすれば,オペアンプは以下のように応答する.上の図では横に並べているのでわかりづらいが,一応以下のように出力がなされているはずだ. 三角波 > 正弦波:負 三角波 < 正弦波:正 PWM制御回路 三角波の周波数を増やすと,正弦波との入れ替わりが激しくなり,出力パルスの周波数も増える. スイッチング素子とダイオード PWM制御によって「パルス波」が生成されることはわかった.では,そのパルス波がどうなるのか? インバータでは,PWMのパルス波は スイッチを駆動する半導体素子(IGBTとか)へ入力 される. PWM制御回路からインバータ内にある,2直列×3並列のトランジスタへ入力 このスイッチ素子(たとえばトランジスタ)はひとつの相に二つ繋がれている. 両端にはコンバータからもらってきた直流電圧を入れている(上図左端の"V").直流電圧Vはモータを駆動する電圧となる. トランジスタはPWMのパルス波によって高速でスイッチングを行う.パルスが正か負かによって,上図上下方向の電流を流したり,流さなかったりする. また,トランジスタと並列にダイオード(整流作用)が接続されている.詳しい動作原理はさておき, パルスによるON/OFFとダイオードの整流作用によって, モータを駆動する直流電圧が,細かいパルス波に変えられる という現象が起こると理解すれば良い. 三相インバータは,直流電圧を以下のような波形に変えて出力する.左がコンバータからもらった直流電圧,右が三相インバータのうち1相が出力する波形だ.多少,高調波成分を含むものの,概ねパルス波に近い波形であることがわかる. インバータが直流をパルス波にする パルス波とRL過渡応答=交流 誘導モータのところで書いたが,電流が流れるのは固定子のコイル部分であり,抵抗(R)成分とインダクタンス(L)成分をもつ.つまり,誘導モータは抵抗・インダクタンスの直列回路(RL回路)と等価であると考えられ,直流電圧に対してRL回路と同様の応答を示す. RL回路は,回路方程式から過渡応答を計算できる.図で表すと,ステップ入力に対する過渡応答は以下のようになる. 直流電圧が入っているときは緩やかに増加して,直流電圧に飽和しようとする, 逆に0Vの時は緩やかに減少して0に収束する.
まとめ このサイトで紹介したことが 三相誘導電動機(三相モーター)の全てでは ありませんが、概要を多少でも知ることが できたのではあれば幸いです。 三相誘導電動機(三相モーター)は 産業現場で機械、設備を扱う方は 必ず関わることになります。 昔のように手動で機械を動かす時代では 回転物であり巻き込まれると大けがを することになります。 センサー等で制御する場合、 センサーの故障で 突然動作しはじめることもあります。 (これで大けがをした人もいます。) 安全だけには気をつけて 扱うようにしてください。 長く読んでいただきありがとう ございました。 技術アップのWEBサイト
V/f一定で制御した場合、低速域では電圧が低くなるため、モータの一次巻線で電圧ドロップ分の値(比率)が大きくなり、この為トルク不足をまねきます。 この電圧ドロップ分を補正していたのがトルクブーストです。 ■AFモータ インバータ運転用に設計された住友の三相誘導電動機 V/f制御、センサレスベクトル制御に定トルク運転対応 キーワードで探す
本稿のまとめ