インバーターの低電圧問題をマスターする：解決策とトラブルシューティング

周波数コンバータの不足電圧問題

 一、はじめに

        今日の高度に自動化された工業生産分野において、周波数変換器は重要な電力制御機器として、モータの回転数調整など様々な場面で広く使用され、生産効率や製品品質に大きな影響を及ぼしています。しかし、実際の運転プロセスにおいて、周波数変換器は様々な問題に遭遇する可能性があり、その中でも電圧不足の問題はかなり一般的で厄介な問題です。機器の動作が不安定になったり、生産が中断したり、さらには機器の破損につながることもあります。したがって、周波数変換器における不足電圧問題の原因を十分に理解し、効果的な解決策を習得することは、工業生産の継続性と安定性を確保する上で非常に重要である。

二、周波数コンバーターにおける不足電圧問題の原因

 (A）電源側の問題

1. グリッド電圧変動

         産業用送電網は複雑なシステムであり、その電圧は常に安定しているわけではない。電力消費のピーク時には、多数の機器が同時に稼働し、送電網の負荷が急増する。例えば、大規模な製造工場では、複数の生産ラインが同時に稼動し、モーターや暖房機器など多数の電気機器が同時に作動すると、負荷が大きいために系統電圧が低下する。この低下により、周波数コンバータの入力電圧が正常な動作範囲を下回り、電圧不足の問題を引き起こす可能性があります。さらに、系統内の大型機器の起動や停止によっても電圧降下や電圧変動が生じます。例えば、工場で大型コンプレッサーが瞬時に起動すると、グリッドに明らかな電圧変動が発生し、近くの周波数コンバータの正常動作に影響を与えます。

         加えて、外部送電網の故障や保守作業も電圧問題を引き起こすことがある。例えば、変電所が線路の点検、機器のアップグレード、故障修理などを行うと、供給電圧が異常に変化することがあります。このような変化は事前にユーザーに通知されないことがあり、周波数変換器は何の準備もなしに電圧不足の状況に陥りやすくなります。

2. 電力線の問題

         系統から周波数変換器への電力供給線に障害があると、周波数変換器の入力電圧に直接影響します。長期間使用されたケーブルは、経年劣化や湿気、機械的な損傷によって絶縁性能が低下し、抵抗値が上昇することがあります。このような損傷したケーブルに電流が流れると、オームの法則（U = IR）に従って、線路に著しい電圧降下が発生し、周波数コンバータの実際の受電電圧が低下します。この電圧降下の問題は、特に長距離電源やケーブルの品質が悪い場合に顕著になります。

         電源スイッチやヒューズなどの接続部品の接触不良や故障も電圧損失につながる。例えば、スイッチの接点は長期間の使用により酸化・摩耗し、接触抵抗が増加することがある。電流が流れると、これらの部分でさらに電圧降下が発生し、周波数コンバータの入力電圧が不足します。

 (B）負荷に関する理由

1. モーター始動時の影響

         モータの始動時、特に高出力モータや重負荷始動時には、始動電流が極めて大きくなる。これはモータ起動の瞬間、ロータがまだ回転を開始しておらず、短絡状態に等しいからである。モータの電磁原理によれば、起動電流は定格電流の数倍になることもある。例えば、大型の産業用モーターが始動すると、始動電流は定格電流の5～7倍に達することがある。この大電流が電源ラインに流れると、電源の内部抵抗とライン抵抗で大きな電圧降下が発生し、周波数変換器の入力電圧が瞬時に低下する。周波数変換器の電圧調整能力が十分でなかったり、電圧保護しきい値が低かったりすると、低電圧アラームが作動しやすくなります。

2. 急激な負荷変動によるエネルギー・フィードバック

         特殊な産業アプリケーションのシナリオでは、負荷が突然変化することがあります。例えば、クレーンが重量物を下ろす過程や遠心分離機が減速する過程では、モーターは発電状態にあり、機械エネルギーを電気エネルギーに変換して周波数コンバーターにフィードバックします。周波数コンバータのブレーキシステムが適切に構成されていなかったり、これらのフィードバックエネルギーを効果的に処理できなかったりすると、DCバス電圧が上昇します。機器を保護するために、周波数コンバータ内部の保護機構は、回路の一部を遮断したり、パワーモジュールの動作状態を調整したりするなどの措置を取ることがあります。しかし、この過程で適切に処理されないと、電圧が後で急激に低下し、低電圧問題を引き起こす可能性があります。

 (C）環境要因

1. 温度効果

         極端な環境温度は電源システムに影響を与える可能性がある。高温環境では、電源ラインの抵抗は温度の上昇とともに増加する。抵抗温度係数の式（R = R_0(1+αΔT)、ここでR_0は初期抵抗、αは抵抗温度係数、ΔTは温度変化）によると、これはラインの電圧降下の増加につながる。一方、高温は、コンデンサの容量値の変化や半導体素子の導通特性の変化など、電源装置内の電子部品の性能にも影響を与え、間接的に周波数変換器の電源電圧に影響を与える可能性がある。

         低温環境では、バッテリー式バックアップ電源システムの性能が低下する場合がある。例えば、鉛蓄電池は低温環境下では化学反応速度が遅くなり、電池容量が低下し、それに伴って出力電圧も低下する。周波数変換器のバックアップ電源が低温の影響を受けると、主電源に異常が発生したときに、十分な電圧サポートができず、電圧不足の状態になることがあります。

2. 電磁妨害

         産業環境には、大型モーター、変圧器、高周波加熱装置など、さまざまな電磁干渉源が存在する。これらの機器から発生する電磁界が電源ラインにカップリングし、電圧信号の伝送に影響を与えることがあります。例えば、近くの高周波溶接機が動作している場合、それが発生する高周波電磁界が周波数コンバータの電源ラインに追加電圧を誘導し、正常な電圧信号を妨害したり、電圧検出回路にノイズを導入したりして、周波数コンバータが電圧値を誤って判断し、低電圧保護を誤って作動させることがあります。

三、周波数コンバーターにおける不足電圧問題の解決策

 (A）電源側の問題に対する解決策

1. 電源電圧の安定化

         系統電圧が頻繁に変動する場所では、自動電圧調整器（AVR）を設置することができる。AVRは入力電圧をサンプリングし、トランスやサイリスタなどの部品を使って出力電圧を自動的に調整し、安定した範囲に保つ。例えば、電圧変動幅が±15%の系統環境では、適切なAVRを使用することで出力電圧を±2%以内に安定させることができ、周波数コンバータに信頼性の高い電源を供給することができます。

         電圧安定性に対する要求が極めて高い主要機器には、無停電電源装置（UPS）システムを使用することができる。UPSは、系統電圧が変動しても安定した電圧を出力できるだけでなく、系統電源が遮断されても一定時間周波数変換器に電力を供給し続けることができるため、機器を安全かつ整然と停止させることができ、突然の停電による機器の損傷や生産の中断を回避することができる。UPS を選ぶとき、容量および出力特性は頻度コンバーターの力そして負荷特徴に従って定まるべきです。

2. 送電線のメンテナンスと最適化

         電源ラインの定期的な点検とメンテナンスは、不足電圧の問題を防ぐための重要な対策である。ケーブルの外観に損傷や老朽化の兆候がないか、特にケーブルの接続部に緩みや酸化などがなく、しっかりと接続されているかを確認する。老朽化や損傷が激しいケーブルについては、時期をみて交換する。一方、電源ラインの長さを短くし、ライン抵抗を減らし、電圧降下を下げるよう、ラインレイアウトを最適化することもできる。

         電源スイッチやヒューズなどの接続部品を定期的に点検・整備する。スイッチの接点を清掃し、摩耗状態をチェックし、摩耗がひどい接点は交換する。ヒューズの定格電流と電圧が回路の要件を満たしていることを確認し、不必要な電圧損失を減らすために接続が確実であることを確認する。

 (B) 負荷に関する問題の解決策

1. モーター始動プロセスの最適化

         起動電流が大きいモータには、ソフトスタート技術を採用することができる。ソフトスタータは、サイリスタの導通角を制御してモータの端子電圧を徐々に上昇させ、モータをゆっくり起動させることで、起動電流を制限する。例えば、ランプ電圧始動方式を採用すると、始動時にモータ電圧が設定されたランプ時間に従って定格電圧まで徐々に上昇するため、始動電流を適正な範囲に制限することができ、始動時の系統電圧への影響を効果的に低減し、周波数変換器の不足電圧のリスクを低減することができる。

         さらに、スターデルタ始動やオートトランス降圧始動といった従来の始動方法も考慮できる。モータの具体的な状況に応じて適切な起動方法を選択する必要がある。一方、モータを選定する際には、負荷特性を十分に考慮し、モータ起動時に周波数変換器の電圧に過大な影響を与えないように、適切な出力と起動トルクを持つモータを選定する必要があります。

2. ブレーキとエネルギー・フィードバック・ハンドリングの改善

         負荷の特性とモーターの電力に応じて、制動ユニットと制動抵抗器を合理的に構成する必要があります。クレーンや遠心分離機のようにエネルギーフィードバックが存在する装置では、制動抵抗器の抵抗値と電力を正確に計算し、制動ユニットがモータからフィードバックされたエネルギーを適時に効果的に消費できるようにします。例えば、特定出力のクレーンモーターでは、正確な計算により、適切な抵抗値と電力を持つ制動抵抗器を選択し、抵抗線が断線していないか、温度が異常でないかなど、その作動状態を定期的にチェックする。

         エネルギーフィードバックの要求が高い大型システムには、アクティブフロントエンド（AFE）技術やエネルギーフィードバックユニットを検討することができる。これらの技術は、モーターによってフィードバックされた電気エネルギーをグリッドにフィードバックすることができ、エネルギーの双方向の流れを実現し、不足電圧問題を解決するだけでなく、エネルギー利用効率を向上させる。

 (C)環境要因への対策

1. 温度制御と保護

         高温環境では、電源装置や周波数変換器に対して効果的な放熱を行う必要がある。空調設備、換気設備、ラジエーターなどを設置し、機器が適切な温度範囲で動作するようにする。高温環境にさらされるケーブルについては、耐高温ケーブルを使用するか、ケーブルを絶縁して温度によるケーブル抵抗への影響を軽減する。

         寒冷な環境では、蓄電池によるバックアップ電源システムに保温対策を講じる必要がある。例えば、蓄電池を断熱箱に入れ、暖房装置を設置することで、蓄電池が低温環境でも良好な性能を維持し、必要なときに周波数変換器に安定した電圧を供給できるようにする。

2. 電磁干渉防止

         周波数変換器の電源ラインにはシールドケーブルを使用し、シールド層は適切に接地する必要があります。シールドケーブルは、外部電磁界の電圧信号への干渉を効果的に低減することができる。一方、電源ラインにはフィルターを設置し、高周波の干渉信号をフィルタリングすることができる。例えば、ローパスフィルターを使用することで、高周波電磁干渉が周波数変換器の電源回路に侵入するのを遮断することができ、電圧検出の精度を確保し、電磁干渉による低電圧保護の誤作動を減らすことができます。

 四、概要

        周波数コンバータの不足電圧問題は、電源側の電圧変動や線路障害から、負荷に関連するモータ起動時の影響やエネルギーフィードバックの問題、さらには環境要因の温度や電磁干渉の影響まで、複数の要因が絡む複雑な問題です。これらのリンクのそれぞれが、電圧不足の状況を引き起こす可能性があります。これらの原因を詳細に分析することで、電源電圧の安定化、ラインの最適化、モーターの始動と制動処理の改善、環境温度変化への対応、電磁干渉防止など、一連の的を絞った解決策を提案しました。実際の工業生産において、技術者は様々な要因を総合的に考慮する必要があり、具体的な生産環境と設備特性に応じて、これらの対策を柔軟に適用することで、周波数変換器の低電圧問題を効果的に防止・解決し、周波数変換器の安定稼働を確保することで、生産工程全体の円滑な進行を確保し、設備故障による経済損失と生産遅延を削減し、工業生産の信頼性と効率を向上させることができる。