Vvvfインバータとは何か？しくみと役割を電気系大学生がまとめてみた

本稿のまとめ

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.

三相誘導電動機(三相モーター)の トップランナー制度 日本の消費電力量の約55%を占める ぐらい電力を消費することから 2015年の4月から トップランナー制度が導入されました。 これは今まで使っていた標準タイプ ではなく、高効率タイプのものしか 新たに使えないように規制するものです。 高効率にすることで消費電力量を 減らそうという試みですね。 そのことから、メーカーは高効率タイプの 三相誘導電動機(三相モーター)しか 販売しません。 ただ、全てのタイプ、容量の三相誘導電動機 (三相モーター)が対象ではありません。 その対象については以下の 日本電機工業会のサイトを参考と してください。 →トップランナー制度の関するサイトへ 高効率タイプの方が値段は高いですが 取付寸法等は同じですので取付には 困ることはなさそうです。 (一部端子箱の大きさが違い 狭い設置場所で交換できないと いう話を聞いたことはあります。) 電気特性的には 始動電流が増加するので今設置している ブレーカーの容量を再検討しなければ いけない事例もでているようです。 (筆者の身近では今の所ないです。) この高効率タイプへの変更に伴う 問題点と対応策を以下のサイトにて まとめましたのでご参照ください。 → 三相モーターのトップランナー規制とは 交換の問題点と対応策について 8.

三相誘導電動機(三相モーター)の構造」 で回転子を分解するとかご型導体がある と説明しましたが その導体に渦電流が流れます。 固定子が磁石というのは分かりずらいかも しれません。 「2. 三相誘導電動機(三相モーター)の構造」で 固定子わくには固定子鉄心がおさまっていて そのスロットという溝にコイルをおさめている といいました。 そして、端子箱の中の端子はコイルと 接続されておりそこに三相交流電源を接続します。 つまり、鉄心に巻いたコイルに電気を 通じるのです。 これは電磁石と同じですよね?

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.

三相誘導電動機(三相モーター)を逆回転させる方法 三相誘導電動機(三相モーター)の回転方向を 変えるのは非常に簡単です。 三相誘導電動機(三相モーター)は3つのコイル端と 三相交流を接続して回転させます。 その接続を右イラストのように一対変えるだけで 逆回転させることができます。 簡単ですので電気屋さん 以外でも 知っている人は多いです。 これを相順を変えるといいます。 事実として相順を変えると逆回転はするのですが しっかりと考えて納得したい場合は 「3. 三相誘導電動機(三相モーター)の回転の仕組み」 を参考にして A相、B相、C相のどれか接続を変えてみて 磁界の回転方法が変わるかを確認して 5.

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).