周波数変換器は、電気工事を行う際に習得すべき技術です。周波数変換器を用いてモーターを制御することは、電気制御において一般的な方法ですが、その使用には熟練した技術が求められる場合もあります。
1.まず、なぜモーターを制御するために周波数変換器を使用するのでしょうか?
モーターは誘導負荷であるため、電流の変化が妨げられ、始動時に大きな電流変化が生じます。
インバータは、パワー半導体デバイスのオンオフ機能を利用して、産業用周波数電源を別の周波数に変換する電気エネルギー制御装置です。主に2つの回路で構成され、1つは主回路（整流器モジュール、電解コンデンサ、インバータモジュール）であり、もう1つは制御回路（スイッチング電源基板、制御回路基板）です。
モータの始動電流を低減するために、特に高出力モータでは、出力が大きいほど始動電流も大きくなります。始動電流が過剰になると、電力供給網や配電網への負担が大きくなります。周波数変換器は、この始動問題を解決し、過剰な始動電流を発生させることなく、モータをスムーズに始動させることができます。
周波数変換器のもう一つの機能は、モーターの速度調整です。多くの場合、生産効率を向上させるためにモーターの速度制御が必要であり、周波数変換器による速度制御は常にその最大の特長です。周波数変換器は、電源周波数を変化させることでモーターの速度を制御します。
2.インバーターの制御方式は何ですか？
インバータ制御モーターの最も一般的に使用される 5 つの方法は次のとおりです。
A. 正弦波パルス幅変調（SPWM）制御方式
制御回路構造がシンプルで、コストが低く、機械的な強度に優れ、一般的な変速機のスムーズな速度制御要件を満たすという特徴があり、産業界のさまざまな分野で広く使用されています。
ただし、低周波数では出力電圧が低いため、ステータ抵抗の電圧降下によってトルクが大きく影響を受け、最大出力トルクが低下します。
また、その機械特性はDCモータほど強くなく、動的トルク容量と静的速度制御性能も十分ではありません。さらに、システム性能も高くなく、制御曲線は負荷によって変化し、トルク応答は遅く、モータトルクの利用率も高くなく、ステータ抵抗とインバータの不感帯の影響により低速域で性能が低下し、安定性も低下します。そのため、ベクトル制御による可変周波数速度制御が研究されてきました。
B. 電圧空間ベクトル（SVPWM）制御方式
これは、三相波形の総合的な生成効果に基づいており、モーターのエアギャップの理想的な円形回転磁界軌道に近づくことを目的として、一度に三相変調波形を生成し、円に近似する内接多角形のように制御します。
実用化後、周波数補償を導入して速度制御の誤差を排除し、フィードバックによる磁束振幅の推定によって低速時の固定子抵抗の影響を排除し、出力電圧と電流のループを閉じることで動精度と安定性を向上させるなどの改良が行われました。しかし、制御回路のリンク数が多く、トルク調整が導入されていないため、システム性能の根本的な改善には至っていません。
C. ベクトル制御（VC）方式
その本質は、ACモータをDCモータと等価にし、速度と磁場を独立に制御することです。回転子磁束を制御することで、固定子電流を分解してトルクと磁場成分を取得し、座標変換を用いて直交制御または分離制御を実現します。ベクトル制御方式の導入は画期的な意義を持っています。しかし、実用化においては、回転子磁束の正確な観測が困難であるため、システム特性はモータパラメータに大きく影響され、等価DCモータ制御プロセスで使用されるベクトル回転変換は比較的複雑であり、実際の制御効果が理想的な解析結果を達成することは困難です。
D. 直接トルク制御（DTC）方式
1985年、ドイツのルール大学のデペンブロック教授は、初めて直接トルク制御周波数変換技術を提案しました。この技術は、前述のベクトル制御の欠点を大幅に解決し、斬新な制御思想、簡潔で明確なシステム構造、優れた動的性能と静的性能を特徴としており、急速に発展しました。
現在、この技術は電気機関車の高出力交流伝動牽引に成功裏に適用されています。直接トルク制御は、固定子座標系における交流モータの数学モデルを直接解析し、モータの磁束とトルクを制御します。交流モータを直流モータと等価にする必要がないため、ベクトル回転変換における多くの複雑な計算が不要になります。また、直流モータの制御を模倣する必要もなく、分離のために交流モータの数学モデルを簡素化する必要もありません。
E. マトリックスAC-AC制御方式
VVVF周波数変換、ベクトル制御周波数変換、および直接トルク制御周波数変換は、いずれもAC-DC-AC周波数変換方式です。これらの方式に共通する欠点は、入力力率が低いこと、高調波電流が大きいこと、DC回路に必要なエネルギー貯蔵コンデンサが大きいこと、回生エネルギーを電力系統にフィードバックできないこと、つまり4象限で動作できないことです。
このため、マトリクスAC-AC周波数変換が誕生しました。マトリクスAC-AC周波数変換は中間DCリンクが不要となるため、大型で高価な電解コンデンサが不要となります。力率1、正弦波入力電流を実現し、4象限で動作可能で、システムの電力密度も高くなります。この技術はまだ成熟していませんが、多くの研究者が深く研究しています。その本質は、電流や磁束などの量を間接的に制御するのではなく、トルクを制御量として直接制御することにあります。
3.周波数変換器はどのようにモーターを制御するのでしょうか？両者はどのように配線されているのでしょうか？
モーターを制御するインバーターの配線は、コンタクタの配線と同様に比較的単純で、3本の主な電源ラインがモーターに入り、モーターから出力されますが、設定がより複雑で、インバーターを制御する方法も異なります。
まず、インバータ端子についてですが、多くのブランドがあり、配線方法も異なりますが、ほとんどのインバータの配線端子はそれほど変わりません。一般的には正転スイッチ入力と逆転スイッチ入力に分かれており、モーターの正転・逆転制御に使用されます。フィードバック端子は、モーターの動作状態をフィードバックするために使用されます。動作周波数、速度、障害状態など。
速度設定制御には、ポテンショメータを使用するものもあれば、ボタンを直接操作するものもあり、いずれも物理的な配線を介して制御されます。もう一つの方法は、通信ネットワークを使用することです。現在、多くの周波数コンバータは通信制御をサポートしています。通信回線を用いて、モーターの始動・停止、正転・逆転、速度調整などを制御できます。同時に、フィードバック情報も通信を介して送信されます。
4.モーターの回転速度（周波数）が変化すると、モーターの出力トルクはどうなりますか？
周波数変換器で駆動する場合の始動トルクおよび最大トルクは、電源で直接駆動する場合よりも小さくなります。
モーターは電源から電力を供給されている場合、始動時および加速時の影響が大きくなりますが、周波数変換器を介して電力を供給している場合、これらの影響は小さくなります。電源から直接始動すると、大きな始動電流が発生します。周波数変換器を使用すると、周波数変換器の出力電圧と周波数がモーターに徐々に加算されるため、モーターの始動電流と影響は小さくなります。通常、モーターが発生するトルクは、周波数が低下する（速度が低下する）につれて減少します。実際の減少データは、周波数変換器のマニュアルに記載されています。
通常のモーターは50Hzの電圧で設計・製造されており、定格トルクもこの電圧範囲内で発生します。したがって、定格周波数以下の速度制御は定トルク速度制御と呼ばれます。(T=Te, P<=Pe)
周波数変換器の出力周波数が 50 Hz を超える場合、モーターによって生成されるトルクは周波数に反比例して直線関係で減少します。
モーターが 50Hz を超える周波数で動作する場合、モーターの出力トルクが不十分にならないように、モーター負荷の大きさを考慮する必要があります。
たとえば、モーターが 100Hz で発生するトルクは、50Hz で発生するトルクの約 1/2 に減少します。
したがって、定格周波数を超える速度制御を定電力速度制御と呼びます。（P = Ue * Ie）。
5.50Hz以上の周波数変換器の適用
特定のモーターの場合、定格電圧と定格電流は一定です。
たとえば、インバータとモーターの定格値が両方とも 15kW/380V/30A の場合、モーターは 50Hz 以上で動作できます。
速度が50Hzのとき、インバータの出力電圧は380V、電流は30Aです。この時、出力周波数を60Hzに上げると、インバータの最大出力電圧と電流は380V/30Aに制限されます。当然、出力電力は変わらないため、これを定電力速度制御と呼びます。
このときのトルクはどのくらいでしょうか?
P=wT(w:角速度、T:トルク)なので、Pは変化せずwが増加すると、それに応じてトルクが減少します。
別の角度から見ることもできます。
モーターの固定子電圧は、U = E + I * R（Iは電流、Rは電子抵抗、Eは誘導電位）です。
UとIが変化しない場合は、Eも変化しないことがわかります。
また、E=k*f*X（k：定数、f：周波数、X：磁束）なので、fが50Hzから60Hzに変化すると、Xもそれに応じて減少します。
モーターの場合、T=K*I*X（K：定数、I：電流、X：磁束）となるため、磁束Xが減少するとトルクTも減少します。
同時に、50Hz未満ではI*Rが非常に小さいため、U/f=E/fが変化しない場合、磁束（X）は一定です。トルクTは電流に比例します。そのため、インバータの過電流容量は通常、過負荷（トルク）容量を表すために使用され、定トルク速度制御と呼ばれます（定格電流は一定→最大トルクは一定）。
結論：インバータの出力周波数が50Hzを超えて増加すると、モーターの出力トルクは減少します。
6.出力トルクに関連するその他の要因
発熱量と放熱能力によってインバータの出力電流容量が決まり、インバータの出力トルク容量に影響します。
1. キャリア周波数：インバータに記載されている定格電流は、通常、最高キャリア周波数と最高周囲温度において連続出力を保証できる値です。キャリア周波数を下げてもモーターの電流には影響しませんが、部品の発熱は減少します。
2. 周囲温度: インバーター保護と同様に、周囲温度が比較的低いことが検出された場合、電流値は増加しません。
3. 標高：標高の上昇は放熱性能と断熱性能に影響を与えます。一般的に、1000m以下では無視できますが、1000mを超えるごとに容量は5%減少します。
7.モーターを制御するための周波数変換器の適切な周波数はどれくらいですか?
上記のまとめでは、インバータがモーターの制御に使われる理由と、インバータがどのようにモーターを制御するかを理解しました。インバータはモーターを制御しますが、その仕組みは以下のようにまとめられます。
まず、インバーターはモーターの始動電圧と周波数を制御し、スムーズな始動と停止を実現します。
次に、インバーターはモーターの速度を調整するために使用され、周波数を変更することでモーターの速度を調整します。
安徽明騰の永久磁石モーター製品はインバータ制御を採用しており、25%～120%の負荷範囲において、同仕様の非同期モータと比較して効率が高く、動作範囲が広く、大幅な省エネ効果を発揮します。
当社の専門技術者は、お客様の具体的な動作条件と実際のニーズに合わせて、より適切なインバータを選択し、モーターの制御を向上させ、モーターの性能を最大限に引き出します。さらに、当社の技術サービス部門は、インバータの設置とデバッグを遠隔サポートし、販売前後の包括的なフォローアップとサービスを提供します。
著作権：この記事はWeChat公開番号「技術研修」の転載です。原文リンク：https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA
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投稿日時: 2024年9月9日