電動機について学び始めたばかりの初心者の方なら、「VFD」という言葉をよく耳にするのではないでしょうか。しかし、VFDとは何か、その仕組み、VFDの種類、VFDのメリット・デメリット、VFDの関連用途などは、あまりよく知らないVFDの基礎知識ですので、この記事は初心者の方にもよく分かる内容となっています。
VFDとは？
VFD（可変周波数ドライブ）とは、交流誘導電動機や同期電動機を制御するための電子機器の一種で、その電源の周波数と電圧を変化させて電動機を駆動させるものです。ドライブがモータに供給する周波数と電圧を制御するという事実にもかかわらず、その結果がモータの速度の調整であるため、通常、速度制御と呼んでいます。VFDの他の名称は、可変速駆動、可変周波数駆動、可変電圧/可変周波数駆動、AC駆動、マイクロドライブ、インバータ、可変速度駆動です。
可変周波数ドライブは、ACモーター、メインドライブコントローラアセンブリ、ドライブ/オペレータインターフェースの3つの主要サブシステムで構成されるドライブシステムで使用されるデバイスです。
- ACモーターは、通常は三相誘導モーターですが、単相モーターや同期モーターを使用する場合もあります。
- 整流ブリッジコンバータ、DCリンク、インバータの3つの異なるサブシステムからなる固体電力電子変換システムを使用したメインドライブコントローラ。
- モータの起動・停止、速度調整、方向転換などを行う手段をオペレータやPLCに提供する監視・制御インターフェース。また、モータの動作やドライブの状態などに関する情報も提供する。PLCとの通信は、多くのシリアル通信プロトコル、または昔ながらのリレー入出力と4-20mAまたは0-10Vのアナログ信号の組み合わせで実現できます。
VFDはどのように機能するのか？
VFDの仕組みを理解するために、次に整流器、DCバス/DCリンク、インバータ、制御回路というVFDの4つの主要なパーツについて説明します。
1.整流器
主電源から入力されたACをDCに変換する。モータの4象限運転など、使用するアプリケーションによって一方向、双方向の変換を行う部分です。ダイオード、サイリスタ、トランジスタなどの電子スイッチング素子が利用される。
2.DCバス／DCリンク
DCリンクは整流器によって変換された電力を蓄積し、整流器の脈動する直流出力からリップルを取り除き、滑らかな直流電圧を提供する。主にコンデンサで構成され、脈動する直流からリップルをフィルタリングして蓄える。また、リップルの種類によってインダクタを含む場合もある。
3.3.インバータ
トランジスタ、サイリスタ、IGBTなどの電子スイッチで構成された部品です。DCリンクから定常的な直流電流を受け、周波数が調整可能な交流電流に変換し、モーターに供給する。パルス幅変調などの変調技術を用い、出力周波数を変化させ、誘導電動機の回転数を制御する。
4.4.制御回路
マイクロプロセッサーユニットで構成されています。整流器、DCバス、インバータに信号を送るとともに、これらの部品からの信号も受信する。その信号でインバータの半導体素子をオン・オフしたり、インバータを動作させるための各種制御信号を送ったり、インバータの動作状態を監視して保護機能を提供したりする。
VFDの種類
可変周波数ドライブには、大きく分けて機械式と電気式の2種類が市場に出回っている。
機械式VFDの種類
1.可変ピッチドライブ
このVFDは、ベルトとプーリーの駆動方式で、片方または両方のプーリーのピッチ径を特定の要件に応じて調整することができる。この機構により倍数比が発生し、最終的に出力速度が可変となる。
2.トラクションドライブ
2つの金属製ローラーの接触径を調整することで、倍率を変化させ、出力速度を変化させる蛍光表示管。
3.静圧駆動
容積式油圧ポンプとモーターで構成されるVFD。ポンプから出力される流体の量は、バルブや変位量を変えることで変化させることができます。
4.油圧式ハイドロビスカスドライブ
このVFDでは、入力軸にある多数のディスクが、出力軸にある対応する数のディスクに押しつけられる。これらのディスクの間には、薄い油の膜がある。押し付けられたディスクの圧力を変えることで、トルクの伝達を変化させ、可変速運転を実現する。
5.油圧式流体動圧駆動装置または流体継手
このVFDでは、2つのインペラを作動油で結合している。作動油の量を変化させることで、一次側と出力側の結合度を変化させ、回転数を変化させることができる。産業界で最も多く使用されている機械式VFDです。
モーターに接続されたVFD
電気ドライブの種類
渦電流カップリング
定速モーターとそのモーターで駆動されるアプリケーションの間に存在するVFDです。固定速度のローターと可変速度のローターの間に小さなエアギャップを設けて構成されています。ローターの一方に励磁巻線を設け、ローターを結合する磁界を発生させ、伝達トルクを決定する。
DCドライブ
DCドライブは、供給される交流電力をDCコンバータで可変倍率の直流電圧に変換し、DCモータの電機子巻線に供給するものです。DCドライブは一般的にサイリスタ技術を使用し、上記の非危険区域のアプリケーションすべてに使用することができます。
ACドライブ
VFDには主に3つのタイプがあり、いずれもAC入力をDCに変換し、インバータを用いてDCを可変AC出力に変換するものです。
- 直接変換方式。このタイプには、サイクロコンバータやその他のマトリックストポロジーが含まれ、入力ACが1段階で可変ACに変換されます。これらのVFDは、ブラシまたはブラシレス励磁の同期式モーターを制御するサイクロコンバーターが最も一般的です。これらのVFDは、モーター速度が低く、トルク要求が高いアプリケーションで使用されます。
- 電流源。定電流発電機のように動作し、ほぼ方形波の電流を発生させます。同期モータを制御する電流源VFDは、負荷整流インバータ（LCI）VFDとも呼ばれ、通常はサイリスタ技術を使用します。誘導性ソースのため応答が非常に遅く、ファンやポンプタイプの負荷にのみ適しています。
- 電圧源。VSIドライブでは、ダイオードブリッジコンバータのDC出力がコンデンサバスにエネルギーを蓄え、インバータに剛性電圧入力を供給します。VSIドライブは、誘導モータと同期モータの両方で動作します。電圧源インバータは、ある定格電力以上のドライブでは唯一の選択肢です。大半のドライブは、PWM電圧出力を持つVSIタイプです。現在、産業界で使用されている最も一般的な電気式VFDは、電圧源インバータ（VSI）タイプを使用したACインバータです。
VFDのメリット
エネルギーとエネルギーコストの削減
現在、産業界で消費される電力の65％以上がモーターシステムで消費されています。VFDを使用してモーター制御システムを最適化することで、機器のエネルギー消費を大幅に削減することができます。特にポンプ、ファン、コンプレッサーにおいて、VFDは大幅なエネルギーコストの削減を達成することができます。
効率的でスムーズな制御
最も効率の良い回転数でモーターを制御することで、誤差を少なくすることができます。VFDはベルトやコンベアの動作をよりスムーズにするため、起動時のジッターをなくし、モーターやベルトドライブにかかる熱的・機械的ストレスを軽減します。
高い力率
VFDのDCリンクに組み込まれた力率改善回路により、力率改善装置を追加する必要性を低減します。これにより、高価なコンデンサバンクを追加する必要がありません。
一般的なACモータの全負荷力率は0.7～0.8です。モータ負荷が減少すると、力率は低くなります。特に無負荷のアプリケーションでは、誘導モータは非常に低い力率を持っています。力率が低いと無効電力損失が大きくなるため、電力利用率が低下します。
機器の長寿命化、メンテナンスの軽減
VFDは、モータの周波数と電圧を最適に制御するため、電気的な過負荷、位相保護、低電圧、過電圧などの問題に対して、より良い保護をモータに提供します。VFDを負荷の始動に使用することで、クロスザライン始動による「インスタントショック」からモータや駆動負荷を保護します。スムーズな始動により、ベルト、ギア、ベアリングの摩耗が大幅に減少します。さらに、スムーズな加速と減速のサイクルにより、ウォーターハンマーが減少または除去されるという利点もあります。これにより、機器の寿命を延ばし、メンテナンスによるダウンタイムを最小限に抑えることができます。
VFDのデメリット
- VFDの初期費用は、他の可変速制御装置よりも一般的に高くなります。
- VFDのユーザーインターフェースは、クロスラインスターターよりもまだ複雑です。
- 誘導高調波:可変速ドライブは、電力線に高調波を誘導する非線形負荷です。VFD、特に高馬力のドライブでは、この歪みが潜在的に敏感な電気機器に伝わらないよう、ラインに高調波フィルタが必要です。
(写真出典:gibbonsgroup.co.uk)
VFDの用途
実際、ACモーターでVFDの運転に適さない用途はありません。VFDが特定の用途に多くの利点をもたらし、コストが妥当であれば、VFDの用途は許容されます。
HVACファンやポンプのアプリケーションにVFDを使用することで、エネルギーとエネルギーコストを節約することができ、産業アプリケーションでは、モータのトルクと速度制御を改善し、モータ保護を向上させることができます。
