可変周波数ドライブ

可変周波数ドライブ（VFD 、または調整可能周波数ドライブ、調整可能速度ドライブ、可変速ドライブ、ACドライブ、マイクロドライブ、インバータドライブ、またはドライブ）は、入力電気の周波数を変化させることで速度とトルクを制御するACモータードライブ（モーターを組み込んだシステム）の一種です。そのトポロジに応じて、関連する電圧または電流の変化を制御します。^{[1] [2] [3] [4] [5]}

VFDは小型家電から大型コンプレッサーまで幅広い用途に使用されています。^[6] VFDを使用するシステムは、ポンプやファンのダンパー制御を備えたシステムなど、油圧システムよりも効率的です。 ^[7]

1980 年代以降、パワー エレクトロニクス技術により、半導体スイッチング デバイス、ドライブ トポロジ、シミュレーションおよび制御技術、制御ハードウェアおよびソフトウェアの進歩により、VFD のコストとサイズが削減され、パフォーマンスが向上しました。

VFD には、低電圧および中電圧のAC-ACおよびDC-ACトポロジが含まれます。

パルス幅変調（PWM）可変周波数駆動プロジェクトは、1960年代にフィンランドのストロームバーグで始まりました。マルッティ・ハルモイネン [fi]がこの技術の発明者とされています。^{[8] [9] [10]ストロームバーグは1973年にPWM駆動のアイデアを}ヘルシンキ地下鉄に売り込み、1982年に最初のPWM駆動装置SAMI10が稼働しました。^{[11] [12] [13]}

可変周波数ドライブは、ACモーター、メインドライブコントローラアセンブリ、ドライブ/オペレータインターフェースの3つの主要なサブシステムで構成されるドライブシステムで使用されるデバイスです。^{[2] : 210–211  [4]}

VFD システムで使用される AC 電気モーターは、通常、三相 誘導モーターです。単相モーターや同期モーターのいくつかのタイプは、状況によっては有利ですが、一般的には三相誘導モーターが最も経済的であるため好まれます。固定速度動作用に設計されたモーターがよく使用されます。VFD によって供給される誘導モーターにかかる高電圧ストレスにより、そのようなモーターは、 NEMA規格 MG-1のパート 31 などの要件に従って、特定目的のインバータ給電用に設計される必要があります。^[14]

VFD コントローラは、整流ブリッジ コンバータ、直流(DC) リンク、およびインバータの 3 つの異なるサブシステムで構成されるソリッド ステートパワー エレクトロニクス変換システムです。電圧源インバータ (VSI) ドライブ (以下の「一般的なトポロジ」サブセクションを参照) は、最も一般的なタイプのドライブです。ほとんどのドライブは、 AC ライン入力を AC インバータ出力に変換するという点で、 AC-ACドライブです。ただし、一般的な DC バスやソーラーアプリケーションなどの一部のアプリケーションでは、ドライブは DC-AC ドライブとして構成されます。VSI ドライブの最も基本的な整流コンバータは、3 相、6 パルス、全波ダイオード ブリッジとして構成されます。VSI ドライブでは、DC リンクは、コンバータの DC 出力リップルを平滑化し、インバータに安定した入力を提供するコンデンサで構成されます。このフィルタリングされた DC 電圧は、インバータのアクティブ スイッチング要素を使用して、準正弦波AC 電圧出力に変換されます。 VSIドライブは、位相制御電流源インバータ（CSI）ドライブや負荷整流インバータ（LCI）ドライブよりも高い力率と低い高調波歪みを提供します（以下の「一般的なトポロジ」サブセクションを参照）。ドライブコントローラは、単相コンバータ入力と3相インバータ出力を持つ位相コンバータとして構成することもできます。 ^[15]

コントローラの進歩により、過去60年間で固体電源デバイスの電圧と電流の定格とスイッチング周波数が劇的に向上しました。1983年に導入された^[16]絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）は、過去20年間でインバータスイッチングデバイスとしてVFDの主流になりました。^{[17] [18] [19]}

可変トルクのアプリケーションで、ボルト/ヘルツ (V/Hz) ドライブ制御に適した場合、AC モーターの特性上、モーターへのインバーター出力の電圧振幅を、必要な負荷トルクと線形V/Hz 関係で一致するように調整する必要があります。たとえば、460 V、60 Hz モーターの場合、この線形 V/Hz 関係は 460/60 = 7.67 V/Hz です。V/Hz 制御は幅広いアプリケーションに適していますが、低速または要求の厳しい動的速度調整、位置決め、および反転負荷要件を伴う高性能アプリケーションでは最適ではありません。一部の V/Hz 制御ドライブは、二次V/Hz モードで動作することも、特殊なマルチポイント V/Hz パスに合わせてプログラムすることもできます。^{[20] [21]}

他の2つの駆動制御プラットフォームであるベクトル制御と直接トルク制御（DTC）は、モータの電圧の大きさ、基準からの角度、周波数^[22]を調整して、モータの磁束と機械的トルクを正確に制御します。

空間ベクトル パルス幅変調（SVPWM）がますます普及しつつありますが、 ^[23]正弦波PWM（SPWM）は、ドライブのモーター電圧（または電流）と周波数を変化させるために使用される最も簡単な方法です。SPWM制御（図1を参照）では、鋸歯状のキャリア信号と、動作周波数と電圧（または電流）が可変の変調正弦波信号の交差から、準正弦波の可変パルス幅出力が構成されます。^{[17] [24] [25]}

モーターを定格銘板速度 (基本速度) を超えて動作させることは可能ですが、モーターの銘板定格を超える電力を必要としない条件に制限されます。これは「弱め界磁」と呼ばれることもあり、AC モーターの場合は、定格 V/Hz 未満で定格銘板速度を超えて動作することを意味します。永久磁石同期モーターは、一定の磁石磁束結合のため、弱め界磁速度範囲がかなり制限されています。巻線ローター同期モーターと誘導モーターは、速度範囲がはるかに広くなっています。たとえば、460 V、75 Hz (6.134 V/Hz) で供給される 100 HP、460 V、60 Hz、1775  RPM (4 極) の誘導モーターは、125% の速度 (2218.75 RPM) = 100% の電力で 60/75 = 80% のトルクに制限されます。^{[26]高速では、誘導電動機のトルクは、電動機の分離トルク[a]}の低下によりさらに制限される必要がある。したがって、定格出力は通常、定格銘板速度の130～150%までしか生成できない。巻線型同期電動機は、さらに高速で運転することができる。圧延機駆動装置では、基本速度の200～300%が使用されることが多い。ローターの機械的強度により、モーターの最高速度が制限される。

組み込みマイクロプロセッサがVFD コントローラの全体的な動作を制御します。マイクロプロセッサの基本的なプログラミングは、ユーザーがアクセスできないファームウェアとして提供されます。ディスプレイ、変数、機能ブロックパラメータのユーザープログラミングは、VFD、モーター、駆動装置の制御、保護、監視のために提供されます。^{[17] [27]}

基本ドライブ コントローラは、次のようなオプションの電源コンポーネントとアクセサリを選択的に含めるように構成できます。

• コンバータの上流に接続 -回路ブレーカーまたはヒューズ、絶縁接触器、EMCフィルター、ラインリアクタ、パッシブフィルター
• DCリンクに接続 -ブレーキチョッパ、ブレーキ抵抗器
• インバータの下流に接続—出力リアクトル、正弦波フィルタ、dV/dtフィルタ。^{[b] [29]}

オペレータ インターフェイスは、オペレータがモーターを始動および停止し、動作速度を調整するための手段を提供します。VFD は、Modbusまたは他の同様のインターフェイスを介してプログラマブル ロジック コントローラによって制御される場合もあります。追加のオペレータ制御機能には、逆転、手動速度調整と外部プロセス制御信号からの自動制御の切り替えなどがあります。オペレータ インターフェイスには、ドライブの動作に関する情報を提供する英数字ディスプレイまたは表示灯とメーターが含まれることがよくあります。オペレータ インターフェイス キーパッドとディスプレイ ユニットは、上の写真に示すように、VFD コントローラの前面に装備されることがよくあります。キーパッド ディスプレイは、多くの場合、ケーブル接続され、VFD コントローラから少し離れた場所に取り付けられます。ほとんどのコントローラには、プッシュ ボタン、スイッチ、その他のオペレータ インターフェイス デバイスまたは制御信号を接続するための入力および出力(I/O) 端子も装備されています。シリアル通信ポートも用意されており、コンピューターを使用して VFD を構成、調整、監視、および制御できます。^{[17] [30] [31]}

VFD の速度を制御するには、ネットワーク接続と有線接続の 2 つの主な方法があります。ネットワーク接続では、 Modbus、Modbus / TCP、EtherNet/IPなどの通信プロトコル、またはディスプレイ シリアル インターフェイスを使用したキーパッドを介して、目的の速度を送信します。一方、有線接続では、純粋な電気的な通信手段を使用します。一般的な有線通信手段は、4 ～ 20 mA 、 0 ～ 10 VDC、またはポテンショメータを使用した内部 24 VDC 電源の使用です。速度は、リモートおよびローカルで制御することもできます。リモート制御では、 VFD はキーパッドからの速度コマンドを無視するように指示されますが、ローカル制御では、 VFD は外部制御を無視してキーパッドのみに従うように指示されます。

モデルに応じて、VFD の動作パラメータは、専用のプログラミング ソフトウェア、内部キーパッド、外部キーパッド、または SD カードを介してプログラムできます。VFD は、動作中にほとんどのプログラミング変更をブロックすることがよくあります。設定する必要がある一般的なパラメータには、モーターの銘板情報、速度基準ソース、オン/オフ制御ソース、ブレーキ制御などがあります。また、VFD では、障害コードや入力信号の状態などのデバッグ情報を提供するのが一般的です。

ほとんどの VFD では、自動起動を有効にすることができます。これにより、電源サイクル後、または障害が解消された後、または緊急停止信号が回復された後に、出力が指定の周波数に駆動されます (通常、緊急停止はアクティブ ロー ロジックです)。VFD を制御する一般的な方法の 1 つは、自動起動を有効にして、L1、L2、および L3 をコンタクタに配置することです。コンタクタの電源を入れると、ドライブがオンになり、指定の速度で出力されます。ドライブの高度さに応じて、複数の自動起動動作を開発できます。たとえば、ドライブは電源投入時に自動起動しますが、リセットがサイクルされるまでは緊急停止をクリアしてから自動起動しません。

添付のチャートを参照すると、ドライブアプリケーションは、単一象限、2象限、または4象限に分類できます。チャートの4つの象限は次のように定義されています。^{[32] [33] [34]}

• 象限I – 運転またはモーター走行、^[35]正の速度とトルクで前進加速する象限
• 第2象限 - 発電またはブレーキ、前進ブレーキ -正の速度と負のトルクによる減速象限
• 象限III – 運転またはモーター走行、負の速度とトルクを伴う逆加速象限
• 象限 IV – 発電またはブレーキ、負の速度と正のトルクによる逆ブレーキ減速象限。

ほとんどのアプリケーションでは、可変トルク負荷 (遠心ポンプやファンなど) や特定の定トルク負荷 (押し出し機など) など、象限 I で動作する単一象限負荷が関係します。

特定のアプリケーションでは、ファンが自然な機械的損失よりも速く減速する場合のように、速度は正ですがトルクの極性が変わる象限 I と II で動作する 2 象限負荷が関係します。一部のソースでは、2 象限ドライブを、速度とトルクが両方向で同じ (正または負) 極性である象限 I と III で動作する負荷と定義しています。

高性能アプリケーションの中には、ホイスト、エレベーター、丘陵コンベアなど、速度とトルクがどの方向にも変化する4象限負荷（象限I～IV）を伴うものがあります。回生は、インバータ電圧がモーターの逆起電力よりも小さく、インバータ電圧と逆起電力が同じ極性である場合にのみ、ドライブのDCリンクバスで発生します。^[36]

モーターを始動する際、VFDは最初に低周波数と低電圧を印加し、直接オンライン始動に関連する高い突入電流を回避します。VFDの始動後、印加周波数と電圧は制御された速度で増加するか、負荷を加速するために徐々に増加します。この始動方法では通常、VFDが低速範囲で主電源から定格電流の50%未満を引き出す間に、モーターは定格トルクの150%を発生できます。VFDは、停止状態から全速まで安定した150%の始動トルクを生成するように調整できます。^[37]ただし、速度が低下するとモーターの冷却が悪化して過熱する可能性があるため、別途電動ファン換気装置がなければ、低速で大きなトルクを長時間運転することは通常不可能です。

VFD の場合、停止シーケンスは始動シーケンスのちょうど逆になります。モーターに適用される周波数と電圧は、制御された速度で徐々に低下します。周波数がゼロに近づくと、モーターは停止します。わずかなブレーキ トルクが利用可能で、モーターが単にオフになって惰性で停止する場合よりも少し速く負荷を減速するのに役立ちます。ブレーキ エネルギーを消散させるブレーキ回路 (トランジスタによって制御される抵抗器) を追加することで、追加のブレーキ トルクを得ることができます。4 象限整流器 (アクティブ フロント エンド) を使用すると、VFD は逆トルクを適用してエネルギーを AC ラインに注入することで負荷をブレーキできます。

AC ライン電源から直接供給される多くの固定速度モーター負荷アプリケーションは、VFD によって可変速度で動作させることでエネルギーを節約できます。このようなエネルギー コストの節約は、負荷のトルクと電力がそれぞれ速度の 2 乗と3 乗で変化する可変トルク遠心ファンおよびポンプ アプリケーションで特に顕著です。この変更により、速度の低下が比較的小さい場合でも、固定速度動作と比較して電力が大幅に削減されます。たとえば、63% の速度では、モーター負荷は全速時の電力の 25% しか消費しません。この削減は、さまざまな遠心負荷変数の関係を定義する 親和性の法則に従います。

米国では、推定60～65％の電気エネルギーがモーターへの供給に使用されており、そのうち75％は可変トルクファン、ポンプ、コンプレッサーの負荷です。^[38]米国の4000万台のモーターで使用されるエネルギーの18％は、VFDなどの効率的なエネルギー改善技術によって節約できます。^{[39] [40]}

ACモータの総設置ベースのうち、ACドライブが装備されているのはわずか3％程度です。^[41]しかし、新しく設置されたモータの30～40％にドライブ技術が採用されていると推定されています。^[42]

世界中の AC モーター設備のエネルギー消費量の内訳は、次の表のとおりです。

ACドライブは、産業および商業用途の加速、流量、監視、圧力、速度、温度、張力、トルクにおけるプロセスと品質の改善をもたらすために使用されます。^[44]

固定速度負荷では、モーターは高い始動トルクと、最大で全負荷電流の 8 倍の電流サージにさらされます。AC ドライブは、代わりにモーターを徐々に動作速度まで上げ、機械的および電気的ストレスを軽減して、メンテナンスおよび修理コストを削減し、モーターと駆動装置の寿命を延ばします。

可変速ドライブは、モーターを特殊なパターンで動作させて、機械的および電気的ストレスをさらに最小限に抑えることもできます。たとえば、S カーブ パターンをコンベア アプリケーションに適用すると、よりスムーズな減速と加速の制御が可能になり、コンベアの加速または減速時に発生するバックラッシュが軽減されます。

ACドライブよりもDCドライブの使用が有利になる傾向がある性能要因には、低速での連続運転、回生による4象限運転、頻繁な加速と減速ルーチン、危険区域でのモーターの保護の必要性などの要件が含まれます。^[45]次の表は、特定の主要なパラメータに基づいてACドライブとDCドライブを比較したものです。^{[46] [47] [48]}

^ 高周波注入

ACドライブは、次の一般的なトポロジに従って分類できます。^{[c] [49] [50]}

• 電圧源インバータ (VSI) ドライブ トポロジ(図を参照): VSI ドライブでは、ダイオードブリッジ コンバータの DC 出力がコンデンサ バスにエネルギーを蓄え、インバータに安定した電圧入力を供給します。ドライブの大部分は PWM 電圧出力の VSI タイプです。^[d]
• 電流源インバータ (CSI) ドライブ トポロジ(画像を参照): CSI ドライブでは、 SCRブリッジ コンバータの DC 出力が直列インダクタ接続にエネルギーを蓄え、インバータに安定した電流入力を供給します。CSI ドライブは、PWM または 6 ステップ波形出力のいずれかで動作できます。
• 6ステップインバータ駆動トポロジ（画像参照）：^{[e] [51]}現在ではほとんど使われていないが、6ステップ駆動はVSI型またはCSI型のいずれかであり、可変電圧インバータ駆動、パルス振幅変調（PAM）駆動、^[52] 方形波駆動、またはDCチョッパインバータ駆動とも呼ばれる。^[53] 6ステップ駆動では、SCRブリッジコンバータのDC出力は、コンデンサバスと直列リアクタ接続を介して平滑化され、ダーリントンペアまたはIGBTインバータを介して誘導モータに準正弦波の6ステップ電圧または電流入力を供給します。^[54]
• 負荷整流インバータ（LCI）駆動トポロジ：LCI駆動（特別なCSIケース）では、SCRブリッジコンバータのDC出力はDCリンクインダクタ回路を介してエネルギーを蓄え、2番目のSCRブリッジインバータと過励磁同期機の6ステップの準正弦波電流出力を供給します。低コストのSCRサイリスタベースのLCI給電同期モータ駆動は、定格100MWまでの高出力で低ダイナミック性能のファン、ポンプ、コンプレッサアプリケーションでよく使用されます。^[55]
• サイクロコンバータまたはマトリックスコンバータ (MC) トポロジ(画像を参照): サイクロコンバータと MC は、エネルギーを蓄積するための中間 DC リンクを持たないAC-AC コンバータです。サイクロコンバータは、6 パルス構成の 3 つの逆並列接続された SCR ブリッジを介して 3 相電流源として動作し、各サイクロコンバータ相は選択的に動作して、固定ライン周波数 AC 電圧を可変負荷周波数の交流電圧に変換します。MC ドライブは IGBT ベースです。
• 二重給電スリップ回復システムのトポロジ:二重給電 スリップ回復システムは、整流されたスリップ電力を平滑リアクトルに供給し、インバータを介して AC供給ネットワークに電力を供給します。モーターの速度は、DC 電流を調整することによって制御されます。

ほとんどのドライブは、以下の制御プラットフォームの1つ以上を使用します。^{[49] [56]}

• スカラー制御
• ベクトル制御（VC）
  • フィールド指向制御(FOC)
• ダイレクトトルクコントロール（DTC）

可変周波数ドライブは、次の負荷トルクと電力特性によっても分類されます。

• 遠心ファン、ポンプ、ブロワーなどの可変トルク
• コンベアや容積式ポンプなどのアプリケーションにおける一定トルク
• 工作機械や牽引アプリケーションなどの一定電力。

VFDは、単相および多相ACモータの幅広い範囲をカバーする電圧および電流定格で利用可能です。低電圧（LV）ドライブは、690V以下の出力電圧で動作するように設計されています。モーターアプリケーションのLVドライブは最大5または6MWの定格で利用可能ですが、^[57]経済的な考慮により、通常ははるかに低い電力定格の中電圧（MV）ドライブが好まれます。さまざまなMVドライブトポロジ（表2を参照）は、さまざまなドライブコントローラのスイッチングデバイスで使用される電圧/電流の組み合わせ定格に従って構成されます^[58]。これにより、任意の電圧定格は、次の標準公称モーター電圧定格の1以上になります。通常、2+3 ⁄ 4 .16 kV（60 Hz）または3+3 ⁄ 6 .6 kV (50 Hz) で、1 つのサイリスタ製造業者は最大 12 kV のスイッチングを定格としています。一部のアプリケーションでは、昇圧トランスがLV ドライブと MV モーター負荷の間に配置されます。MV ドライブは通常、約 375 ～ 750 kW (503 ～ 1,006 hp) を超えるモーター アプリケーション用に定格されています。MV ドライブは、歴史的に、LV ドライブ アプリケーションよりもかなり多くのアプリケーション設計作業を必要としました。 ^{[59] [60]} MV ドライブの電力定格は 100 MW (130,000 hp) に達することがあり、さまざまな定格、パフォーマンス、電力品質、信頼性の要件に応じてさまざまなドライブ トポロジが関係します。 ^{[61] [62] [63]}

最後に、VFD を次の 2 つの分類で関連付けると便利です。

• 下記の表1に示すような様々な交流機械に関しては^{[64] [65]}
• 様々な詳細なAC-ACコンバータトポロジに関しては、以下の表2と表3に示されています。 ^{[49] [50] [62] [63] [66] [67] [68] [69] [70]}

説明の注記:. ^[f]

PWM出力の高調波は、搬送周波数に関連したフィルタインダクタンスによって簡単にフィルタリングでき、モーター負荷に正弦波に近い電流を供給できますが、 ^[24] VFDのダイオードブリッジ整流器は、非線形の半位相電流パルスを重ね合わせることでACライン電圧をDC電圧出力に変換し、ACライン入力の高調波電流歪み、ひいては電圧歪みを生成します。VFD負荷が電力会社から入手できる大規模で堅牢な電力システムに比べて比較的小さい場合、 ACグリッドのVFD高調波歪みの影響は、多くの場合許容範囲内になります。さらに、低電圧ネットワークでは、コンピューターやテレビなどの単相機器によって発生する高調波は、3相ダイオードブリッジ高調波によって部分的にキャンセルされます。これは、5次と7次の高調波が逆位相になっているためです。^[71]しかし、VFDやその他の非線形負荷が総負荷に占める割合、または非線形負荷がAC電源の剛性に占める割合、あるいはその両方が比較的大きい場合、その負荷は同一系統内の他の電力会社の顧客が利用できるAC電力波形に悪影響を及ぼす可能性がある。

電力会社の電圧が高調波によって歪むと、通常の固定速度交流モーターなどの他の負荷の損失が増加します。この状態は過熱や動作寿命の短縮につながる可能性があります。また、変電所の変圧器と補償コンデンサにも悪影響があります。特に、コンデンサは共振状態を引き起こし、高調波レベルを許容できないほど増幅する可能性があります。電圧歪みを制限するために、VFD負荷の所有者は、高調波歪みを許容限度以下に低減するためのフィルタリング装置を設置する必要があります。または、電力会社は、使用されている大量のVFD機器の影響を受ける変電所に独自のフィルタリング装置を設置するという解決策を採用する場合があります。高電力設備では、複数の位相シフト巻線を備えた変圧器からマルチパルス整流ブリッジVFDを供給することで高調波歪みを低減できます。^[72]

標準のダイオード ブリッジ整流器を、モーターへの IGBT スイッチング デバイス出力を使用する標準インバータをミラーリングする双方向 IGBT スイッチング デバイス ブリッジに置き換えることもできます。このような整流器は、アクティブ インフィード コンバータ (AIC)、アクティブ整流器、IGBT 供給ユニット (ISU)、アクティブ フロント エンド (AFE)、または 4 象限動作など、さまざまな名称で呼ばれます。PWM 制御と適切な入力リアクトルを使用すると、AFE の AC ライン電流波形をほぼ正弦波にすることができます。AFE は本質的に、DC 側から AC グリッドに 4 象限モードでエネルギーを回生します。したがって、ブレーキ抵抗器は必要なく、ドライブが頻繁にモーターをブレーキする必要がある場合は、ドライブの効率が向上します。

他の2つの高調波緩和技術は、バス上に少なくとも1つのVFD分岐負荷がある共通バスに接続されたパッシブまたはアクティブフィルタの使用を活用します。パッシブフィルタでは、1つ以上のローパスLCフィルタトラップの設計が含まれ、各トラップは必要に応じて高調波周波数（5次、7次、11次、13次、... kq+/-1、k = 整数、q = コンバータのパルス数）に調整されます。^[73]

電力会社やその顧客がIECまたはIEEE規格に基づいて高調波歪みの制限を課すことは非常に一般的な慣行です。たとえば、顧客の接続ポイントでのIEEE規格519の制限では、一般的なAC電源システムの場合、最大個別周波数電圧高調波が基本波の3％以下、電圧全高調波歪み（THD）が5％以下であることが求められています。^[74]

1つのドライブでは、デフォルトのスイッチング周波数設定として4kHzが使用されています。ドライブのスイッチング周波数（キャリア周波数）を下げると、IGBTによって発生する熱が減少します。^[75]

PWMスイッチング間隔を確立するために、希望する出力周波数の少なくとも10倍のキャリア周波数が使用されます。LV（低電圧、600ボルトAC以下）VFDでは、2,000～16,000Hzの範囲のキャリア周波数が一般的です。キャリア周波数が高いほど、より正確な正弦波が得られますが、IGBTでのスイッチング損失 [de]が大きくなり、全体的な電力変換効率が低下します。^[76]

一部のドライブにはノイズ スムージング機能があり、これをオンにするとスイッチング周波数にランダムな変化を導入できます。これにより、音響ノイズがさまざまな周波数に分散され、ピーク ノイズの強度が下がります。

PWM VFD のキャリア周波数パルス出力電圧は、これらのパルスの立ち上がり時間が急速になるため、伝送線路への影響を考慮する必要があります。ケーブルとモーターの伝送線路インピーダンスが異なるため、パルスはモーター端子からケーブルに反射する傾向があります。その結果生じる反射により、DC バス電圧の 2 倍、または長いケーブル配線の場合は定格線間電圧の最大 3.1 倍に等しい過電圧が発生し、ケーブルとモーター巻線に大きなストレスがかかり、最終的には絶縁が破損します。定格 230 V 以下の 3 相モーターの絶縁規格では、このような長いリード線の過電圧から十分に保護されています。460 V または 575 V システム、および第 3 世代の 0.1 マイクロ秒の立ち上がり時間 IGBT を備えたインバータでは、VFD とモーター間の最大推奨ケーブル距離は約 50 m (150 フィート) です。^[77]長いリード線によって生じる過電圧の解決策としては、ケーブル長の最小化、搬送周波数の低減、dV/dtフィルタの設置、インバータ定格モータ（立ち上がり時間が0.1マイクロ秒以下、ピーク振幅が1,600Vのパルス列に耐えられる定格600Vのもの）の使用、LCRローパス正弦波フィルタの設置などがあげられる。^{[78] [79] [80] [81]} ACドライブに最適なPWM搬送周波数の選択には、ノイズ、熱、モータ絶縁ストレス、コモンモード電圧によるモータベアリング電流の損傷、スムーズなモータ動作などの要素のバランスを取ることが含まれる。LCRローパス正弦波フィルタまたはdV/dtフィルタを使用することで、さらに高調波を減衰させることができる。^{[82] [83] [84] [85]}

5kHzを超える搬送周波数では、保護対策を講じないとベアリングが損傷する可能性があります。^[86]

PWM ドライブは本質的に高周波のコモンモード電圧と電流を伴い、モーター ベアリングに問題を引き起こす可能性があります。^[87]これらの高周波電圧がベアリングを介してアースへの経路を見つけると、ベアリングのボールとベアリングのレースの間で金属の転移または放電加工(EDM) の火花が発生します。時間の経過とともに、EDM ベースの火花によりベアリング レースに侵食が発生し、溝のパターンとして確認できます。大型モーターでは、巻線の浮遊容量によって高周波電流の経路が提供され、モーター シャフトの端を通過して循環型のベアリング電流が発生します。モーター ステーターの接地が不十分な場合、シャフトからアースへのベアリング電流が発生する可能性があります。接地が不十分な駆動装置を備えた小型モーターは、高周波ベアリング電流の影響を受けやすいです。^[88]

高周波ベアリング電流による損傷を防ぐには、3 つの方法があります。適切な配線と接地方法、ベアリング電流の遮断、コモンモード チョークによるコモンモード電流のフィルタリングまたは減衰です。適切な配線と接地方法には、モーターへの電源供給にシールド付きの対称形状電源ケーブルを使用すること、シャフト接地ブラシを設置すること、導電性ベアリング グリースを使用することなどがあります。ベアリング電流は、絶縁ベアリングと特別に設計された静電シールド誘導モーターを設置することで遮断できます。高周波ベアリングのフィルタリングと減衰は、3 相にわたって軟磁性コアを挿入してコモンモードまたはモーター ベアリング電流に対する高周波インピーダンスを与えることで行うことができます。別の方法としては、標準の 2 レベル インバータ ドライブの代わりに、3 レベル インバータ ドライブまたはマトリックス コンバータを使用することです。^{[88] [89]}

駆動装置によって発生するトルクにより、誘導電動機は同期速度から滑り速度を引いた速度で回転する。負荷が同期速度よりも速く電動機を駆動する場合、電動機は発電機として機能し、機械力を電力に変換する。この電力は駆動装置のDCリンク要素（コンデンサまたはリアクタ）に戻される。DCリンクに接続された電子電源スイッチまたはブレーキDCチョッパは、この電力が抵抗器セット内で熱として散逸するのを制御する。抵抗器の過熱を防ぐために冷却ファンが使用されることがある。^[34]

ダイナミックブレーキはブレーキエネルギーを熱に変換することで無駄にします。対照的に、回生駆動はブレーキエネルギーをACラインに注入することで回収します。ただし、回生駆動の資本コストは比較的高くなります。^[90]

回生交流駆動装置は、指定されたモータ速度よりも速く動く負荷（オーバーホール負荷）のブレーキエネルギーを回収し、それを電力システムに戻す能力を有する。 ^[92]

サイクロコンバータ、シェルビウス、マトリックス、CSI、およびLCIドライブは、本質的に負荷からラインへのエネルギーの戻りを可能にしますが、電圧源インバータでは、エネルギーを電源に戻すために追加のコンバータが必要です。^{[93] [94]}

回生は、回収されたエネルギーの価値が回生システムの追加コストに比べて大きい場合にのみVFDで有用であり、 ^[93]システムが頻繁なブレーキと始動を必要とする場合にのみ有用である。回生VFDは、オーバーホール負荷の速度制御が必要な場合に広く使用されている。^{[2] [3] [95]}

例:

• 製造用のコンベア ベルト ドライブは、数分ごとに停止します。停止中に部品が正しく組み立てられ、組み立てが完了するとベルトが動きます。
• ホイストモーターが頻繁に停止して逆転するため、降下中に荷物を減速するためにブレーキをかける必要があるクレーン。
• あらゆるタイプのプラグインおよびハイブリッド電気自動車（画像およびハイブリッドシナジードライブを参照）。

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