現場では「インバータ」という言葉を毎日のように使います。
インバータ盤、インバータ制御、インバータ化。
では、あの箱は中で何をしているのか。
そう聞かれて、すぐに答えられるでしょうか。
私は答えられませんでした。
設計側に回って改めて調べ直したので、インバータが何をする装置なのかを整理しておきます。
一言でいうと、周波数を作り変える装置
誘導電動機の回転速度は、自分で決められるものではありません。
電源の周波数と、電動機の極数で決まってしまいます。
同期速度 Ns = 120f / p 〔rpm〕
（f：電源周波数〔Hz〕、p：極数）
商用電源の周波数は50Hzか60Hzに固定されています。
極数も、多くの電動機では作った時点で決まっています。
つまり、そのまま電源につないだ電動機は、決まった速度でしか回りません。
※ 極数を切り替えられる極数変換モータ(ポールチェンジモータ)も
存在しますが、2速など段階的な切替に限られます。
インバータが普及する前の速度制御については、別記事で扱います。
インバータは、この f を自由に作り出す装置です。
50Hzの電源から30Hzの交流を作れば、電動機はその周波数に応じた速度で回ります。
速度を変える装置というより、周波数を作る装置と理解した方が、中身の話とつながります。
中身は「交流 → 直流 → 交流」
では、どうやって好きな周波数の交流を作るのか。
商用電源の交流は、決まった速さで振動しています。
この波の速さを途中で直接変える方法はありません。
そこでインバータは、いったん直流に均してから、改めて好きな周期の波を組み立て直します。
構成はこうなります。
- コンバータ部 … 交流を直流に変換する（整流回路）
- 平滑回路 … 脈打った直流を、コンデンサで平らにならす
- インバータ部 … 直流をスイッチングして、任意の周波数の交流を作る（逆変換回路）
交流を一度壊して、作り直している。この理解で、だいたいの現象は説明がつきます。
「インバータ」という言葉は、2つの意味で使われている
ここが最初に混乱したところです。
厳密には、インバータとは3番目の逆変換回路だけを指します（狭義のインバータ）。
しかし現場で「インバータ」と言えば、コンバータ部も含めた装置全体を指しています（広義のインバータ）。
教科書を読んでいて話が噛み合わないと感じたら、どちらの意味で書かれているかを確認してみてください。
周波数を変えるときは、電圧も一緒に変える
インバータは周波数だけを変えているわけではありません。電圧も同時に変えています。
理由は、周波数だけを下げると電動機内部の磁束が過大になり、磁気飽和と過電流を招くためです。
これを避けるため、電圧と周波数の比（V/f）を一定に保ちながら制御します。
これがV/f一定制御と呼ばれるものです。
ただし、V/fを一定にしても、周波数が下がるとトルクは落ちていきます。
固定子巻線の抵抗成分の影響です。
そのため実際のインバータでは、低い周波数のときに電圧をやや高めに補正する機能を持っています（トルクブースト、電圧補正）。
インバータの設定でトルクブーストという項目を見たことがある人は多いと思いますが、これはその補正量を調整するものです。
正直に言うと、保全をやっていた頃はこのパラメータの意味を
分かっていませんでした。
低速でトルクが足りないと言われたら、とりあえずブースト値を上げる。
それで動けば終わり。なぜ上げると出るのかは、考えていませんでした。
今回調べ直して、低い周波数では巻線の抵抗成分の影響が効いてくる、
その分を電圧で補っているのがこの設定だと、ようやく繋がりました。
何のために使うのか
インバータを入れる理由は、大きく5つに整理できます。
省エネルギー
とくにポンプや送風機で効果が大きくなります。
従来はダンパやバルブで絞って流量を調整していましたが、これは全速で回したまま抵抗で捨てているのと同じです。
必要な分だけ回せば、消費電力は大きく下がります。
（この効果がどれくらい大きいかは、別記事で詳しく扱います）
始動電流を抑えられる
商用電源に直接つないで始動すると、定格電流の5〜8倍という大きな始動電流が流れます。
インバータは低い周波数からゆっくり立ち上げるため、始動電流を定格程度に抑えられます。
受電設備の容量や電圧降下への影響を軽くできます。
加減速を自由に設定できる
ソフトスタート、ソフトストップができます。
ベルトやギヤへの衝撃、配管のウォータハンマを避けられ、設備の寿命に効いてきます。
工程に合わせて速度を変えられる
工作機械の主軸速度、コンベアのライン速度の同期、巻取り機の張力制御など、速度を連続的に変えられること自体が目的になる用途があります。
騒音・振動が下がる
送風機やポンプを必要な回転数まで落とせば、音も静かになります。
このほか、50Hz地域と60Hz地域の違いを吸収できるという利点もあります。
まとめ
- 誘導電動機の回転速度は、電源周波数と極数で決まる（Ns = 120f / p）
- 商用電源の周波数は固定なので、そのままでは速度を選べない
- インバータは、交流を一度直流に変換し、そこから任意の周波数の交流を作り直す装置
- 周波数を変えるときは、磁束が過大にならないよう電圧も一緒に変える（V/f一定制御）
- 目的は省エネだけでなく、始動電流の抑制、ソフトスタート、速度制御、騒音低減など
次は、インバータの省エネ効果がなぜ大きいのかを、送風機やポンプを例に整理します。
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