インバータ（VFD）とケーブル

VFD（Variable Frequency Drive）とは、一般的に、誘導モータとドライブ、この 2 つをケーブルで接続したコンフィグレーションを言い、主には可変速ドライブ（インバータ）を指すこともあります。

可変速ドライブ(VFD)を使用すれば、モータ駆動機器の効率性を向上させ、広範囲の動作速度に対して正確な連続制御をすることが可能です。
モータやコントローラ自体の性能向上や、それを接続するケーブルの性能についても、正確な連続稼働を保つため、今まで以上に注目されています。

可変速ドライブ(VFD)とは 、インバータ装置とも呼ばれます。誘導モータの速度やトルクを容易に変えられ、任意な周波数によって制御されます。速度制御が主体となり、安定した定常制御が特徴です。

はじめに、VFD の特徴である周波数について説明します。

周波数は、 1 秒間当たりの電圧及び電流の電力パルス出力を示します。単位は Hz(ヘルツ)で表され、電力パルスは周期や周波数サイクルなどとも呼ばれます。1 つの周波数サイクルに、1 つの正のパルスと 1 つの負のパルスがあり、1 周期と呼ばれます。

例えば、関東の標準周波数は、50Hz(ヘルツ)又は 50 パルス/sec となります。
それは、1 秒間に 1 周期が 50 回の周期を繰り返えすということになります。

続いて、VFD(可変速ドライブ)=インバータと周波数の関係を説明します。

インバータドライブシステムとは、4 つコンフィグレーションらなっています。電源・VFD・ケーブル・モータです。さらに性能向上のため、レゾルバ/エンコーダフィードバック、タコメータ、センサ及びリレーなどの補助部品を組込むこともあります。

VFD(可変速ドライブ)の役割とは：
基本的に、モータの起動、動作速度及び停止機能を制御する電力パルスの送信です。

ドライブの周波数を上げる→ モータの速度が上がる。
ドライブの周波数を上げる→ モータの速度が下がる。

工場などの電源は、一般に交流です。
その交流電圧と周波数でモータの速度を可変する事は困難です。
そこで、ドライブ内部では以下の 3 つのステップを行い、自由に速度などが可変できる仕組みにしています。(下の図を参照)

STEP.1<コンバータ>
主な電力源を三相交流とした場合、ドライブは初めに、電源を交流(AC)から直流(DC)に変換します。
変換中、周波数は 50 ヘルツで一定ですが、電源の電圧は√2 倍(1.414 倍)の直流電圧に変換されます。

交流(AC)400V×√2=直流（DC）565V

交流(AC)から直流(DC)に変換する事は、機器側に可変周波数を出力する上で重要なプロセスとなります。 

STEP.2<コンデンサー>
次のステップとして、ドライブの 2 番目の構成要素である DC バスがあります。DC バスとは、エネルギーを蓄積するコンデンサー部品です。STEP.3 のインバータ回路に直流電力を供給する大容量の蓄電池としての重要な役割を果たします。

STEP.3<インバータ>
インバータ回路では、直流を交流に再変換ことで、モータに送られる電流の周波数を制御し、モータ速度を変化させる事が出来ます。これが VFD(可変速ドライブ)の最大の特徴です。
インバータ回路で行うパルス幅変調(PWM)周波数は、約 20,000Hz ヘルツで、一度に数サイクルの電流を変えることができ、より細かい制御が可能です。
一方で、周波数 50Hz の場合では、数サイクルを変えるだけでは大きな影響はなく、PWM同等の正確な制御は不可能です。

内部電力を変換する場合、高速でスイッチングを行うことにより、パルスが出力され、ケーブルを介して反射し、更に多くの電圧と電流が発生してしまいます。より大きな電力が流れることで、モータの回転速度が更に早くなり、過熱やサージが発生します。こうした影響はモータの絶縁破壊や劣化、またパワーケーブルにも損傷を受けます。

また、誘導モータは、非線形特性があり、電圧を上げても思うように電流が大きくなりません。非線形電力では、電流がモータにマッチングできない場合、電流の歪みによって高電圧ストレスおよび過熱が発生することがあります。

VFD はケーブルを介して、特定の周波数で交流の電力パルス出力することで、作動中のモータを適切に制御できます。しかし、そこに接続するケーブルにおいても、モータの精密なポジショニングや安定した加減速能力を発揮し、パルスの乱れから起こる制御の低下やダウンタイムを回避する必要があります。

特に以下に述べるような VFD 特有の現象によっては、モータ動作に影響が出てきますので最適なケーブル選定が重要となります。

サージ電圧とは、短時間(100 万分の 1 秒(μ秒))の間に発生する非常に急激な電圧の増加を指します。特に大きな電圧で駆動する三相誘導電動機の場合は、このサージ電圧の影響で、巻線に過電流が発生し、絶縁破壊を起こすことがあります。

〈スイッチング特性〉
例えば 460V 電源の VFD(可変速ドライブ)の場合、高速スイッチング動作時、電圧は 0Vから約 660V(460V X √2)まで引き上がり、すぐにまた 0V まで下がります。これが毎秒約 20,000 回繰り返されます。この動作より VFD(可変速ドライブ)内にサージ電圧が発生し、650V から 2,000V 以上にオーバーシュートする可能性があります。

〈ケーブル特性〉
サージ電圧は、ケーブル長にも関係があります。ケーブル長が長いとインダクタンス(L)とキャパシタンス(C)が影響し、強力なサージ電圧が発生しやすくなります。
また、キャブタイヤのようなアース線と各線間の配置のバランスが異なり、モータ巻線に受ける相ごとの分担電圧が大きく異なってきます。ケーブル長によっては、こちらも影響が出てきます。

〈蓄電の影響〉
モータの初期起動時には電流が流れ込むことで、モータおよびパワーケーブルが大きなコンデンサーの役割の様になり、通常の動作レベルまで充電されます。モータが初めて通電されると、最大負荷の 6 倍の電力が必要になることもあります。

〈ケーブルとサージ電圧〉
ケーブルも、VFD システムの最も重要な部分です。ドライブには自己診断プログラムがあり、ショートしたモータを簡単に検出できますが、サージ電圧が起こるのはわずか数μ秒であり、機器はすぐにオフラインになる為、自己診断では判断できません。

サージ電圧のケーブルへの影響としては、サージ電圧がスパイクの様にケーブルの絶縁体に刺さり、電流は銅編組シールドに流れ込みます。これにより銅編組が損傷してきます。
サージ電圧でできた絶縁体の穴は、絶縁体自体がその穴を自然と修復します。これがケーブルの様々な箇所で起こり、全体が損傷するまで繰り返されます。

各VFDシステム部品の電気的パフォーマンス悪化を防ぐための対処方法はいくつかあります。

例えば、北米では、整流による電力の歪みからケーブルを保護するため、米国電気工事規定(NEC/NFPA70) 2018 年版では、導体サイズがドライブの最大負荷電流の 125%でなければならないと規定されています。また、パルスレートを変更するか、より低い周波数にインバータを切り替えることで、出力高調波を軽減することができます。

高調波を軽減するために、フィルタ、リアクトルなどをドライブに追加することもできますが、電源から更に大きい電圧降下を引き起こす可能性があります。VFD モータは二重に絶縁されているため、絶縁巻線が破損するのを防ぐことができます。
システム自体に対策を講じるのと合わせて、ケーブルにおいてもシステム全体を向上させる上では、慎重な選定をする必要があります。

VFD やサーボなど精密なモーション制御を必要とするアプリケーションでは、架橋ポリエチレン XLPE(PLUS)絶縁仕様の LAPP ÖLFLEX® VFD ケーブルを推奨しております。
600V ケーブルと同じ絶縁体の厚さで、 2,000V の定格を持っています。これにより、 2000V級の VFD /サーボシステムの電圧条件を満たすと同時に、より軽量で取り扱いやすいデザインです。

以下では、欧州はもとより、北米向けの NFPA70 や NFPA79 に準拠している製品をご紹介いたします。

【ケーブル構成】

【規格】

-		ÖLFLEX® VFD 2XL
		✔
	AWM I/II A/B FT4 CSA C22.2 No.210	✔
	TC-ER UL1277	✔
	WTTC UL2277	✔
	Flexible Motor Supply UL2277	✔
	CIC/TC FT4 CSA C22.2 No239/230	✔
NEC70(NFPA70)		✔
NFPA79		✔

【製品ラインナップ】

【ケーブル構成】

【規格】

-		ÖLFLEX® VFD 2XL
		✔
	AWM I/II A/B FT4 CSA C22.2 No.210	✔
	TC-ER UL1277	✔
	WTTC UL2277	✔
	Flexible Motor Supply UL2277	✔
	CIC/TC FT4 CSA C22.2 No239/230	✔
NEC70(NFPA70)		✔
NFPA79		✔

【製品ラインナップ】

その他、NFPA70/NFPA79 準拠品もリリースされています。

*ÖLFLEX®VFD SLIM、１XL のケーブルタイプは、NFPA79 準拠となり実際ケーブルに印字はございません。
その他詳細に関しては、お問い合わせください。