可変周波数ドライブ(VFD) は、柔軟な速度制御、エネルギー効率の向上、費用対効果の高さにより、モータの速度制御に広く採用されるようになりました。可変周波数動作用に特別に設計されたモータも存在しますが、標準的な非同期モータのシンプルさと低コストは、多くの産業用アプリケーションにとって魅力的な選択肢となっています。
しかし、標準的な誘導モータの速度制御にVFDを使用すると、いくつかの課題が生じる。この記事では、通常の非同期モーターにおけるVFDベースの速度制御の主な効果を探り、効率、損失メカニズム、設計上の考慮点についての洞察を提供します。
VFD付き標準誘導モータを使用する理由
VFDの最大の魅力の1つは、従来の非同期モーターとの互換性です。これらのモーターは構造がシンプルで製造コストが低く、耐久性に優れているため、ほとんどの汎用可変速アプリケーションに最適です。
もしVFDが特別に設計されたモーターにしか使えないとしたら、VFD技術本来の利点であるシンプルさ、頑丈さ、コスト効率は低下してしまうだろう。
非正弦波出力と運動性能への影響
VFDがモータ速度を調整する場合、出力電圧波形は完全な正弦波ではありません。その代わりに、一般的にステップ状またはパルス幅変調（PWM）信号に似ており、以下のような形でモータ性能に影響を与える高調波成分を導入します：
1.銅損の増加
ステーターの銅損：
固定子巻線に誘導される高調波電流は銅損(I²R 損失)を増加させます。これは、高調波が渦電流や磁気飽和を引き起こし、必要な励磁電流が大きくなり、モータの総電流が増加する場合に特に顕著です。
ローターの銅損：
ローターバー、特に深いスロットのリス ケージローターでは、高調波周波数での表皮効果により損失が著しく大きくなる。例えば、基本周波数が50Hzの場合、第5高調波は300Hz、第7高調波は600Hzのローター電流を発生させる。このような高周波数では、ローターの交流抵抗が劇的に増加し、時には直流抵抗の3.7倍にもなるため、エネルギー損失と発熱が大きくなる。
2.鉄損失の増加
高調波が存在すると、時間的に変化する磁界が渦電流とヒステリシス損失を追加的に発生させるため、モータの鉄損（コア損失）の上昇にもつながります。一次磁束は基本波形に基づくままですが、高調波磁束は発熱の増大とモーター効率の低下につながります。
VFDからの典型的な6ステップ波形でも、モータのエアギャップ内のピーク磁束は純粋な正弦波の場合よりも10%高くなることがありますが、実際の鉄損の増加は比較的わずかです。
3.追加の迷走損失
巻線の漏れと渦電流：
高周波高調波は、ステータ端巻線とモータ端キャップに渦電流が追加されるため、漂遊損失も増加させます。これらの損失は、クローズドスロットまたはスキュースロット設計のモータでより顕著になります。
斜めスロットの漏れ磁束：
高調波の影響を受けてステータとロータの磁界の位相角がずれると、スキュースロット漏れ磁束は、特にモータコアの端巻線とティース付近で局所的な加熱を引き起こす。
結論VFD付き標準モーターを使うべきか？
標準的な非同期モータをVFDと共に使用することは可能で すが、高調波成分によって生じる熱と効率の課題を理解するこ とが極めて重要です。正確な速度制御、高い信頼性、およびエネルギー効率を優先する場合は、VFD定格のモータを検討するか、フィルタの追加、モータのディレーティング、または寿命と性能を向上させるための断熱材のアップグレードなどの対策を講じる価値があります。
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