周波数変換電源で駆動されるモータと、商用周波数正弦波で駆動されるモータの主な違いは、一方では低周波から高周波までの広い周波数範囲で動作し、他方では電源波形が非正弦波であることです。電圧波形のフーリエ級数解析により、電源波形には基本波成分（制御波）に加えて2N以上の高調波が含まれています（制御波の各半波に含まれる変調波の数はNです）。SPWM ACコンバータが電力を出力してモータに印加すると、モータ上の電流波形は高調波が重畳された正弦波として現れます。高調波電流は非同期モータの磁気回路に脈動磁束成分を生成し、脈動磁束成分は主磁束に重畳されるため、主磁束に脈動磁束成分が含まれます。脈動磁束成分は磁気回路を飽和させる傾向があり、モータの動作に次のような影響を与えます。
1.脈動磁束が発生する
損失が増加し、効率が低下します。可変周波数電源の出力には多数の高次高調波が含まれているため、これらの高調波は対応する銅と鉄の消費を引き起こし、動作効率を低下させます。現在広く使用されているSPWM正弦波パルス幅技術でさえ、低次高調波を抑制し、モータの脈動トルクを低減することで、低速でのモータの安定動作範囲を拡大するだけです。そして、高次高調波は減少するどころか増加します。一般的に、商用周波数正弦波電源と比較すると、効率は1%〜3%低下し、力率は4%〜10%低下するため、周波数変換電源におけるモータの高調波損失は大きな問題です。
b) 電磁振動と騒音の発生。一連の高調波が存在するため、電磁振動と騒音も発生します。振動と騒音を低減する方法は、正弦波で駆動されるモーターでも既に課題となっています。インバータで駆動されるモーターの場合、電源が非正弦波であるため、問題はさらに複雑になります。
c) 低速時には低周波の脈動トルクが発生します。高調波起磁力と回転子高調波電流が合成され、一定の高調波電磁トルクと交互の高調波電磁トルクが発生します。交互の高調波電磁トルクはモータを脈動させ、低速時の安定動作に影響を与えます。SPWM変調方式を使用した場合でも、商用周波数正弦波電源と比較すると、ある程度の低次高調波が残り、低速時に脈動トルクが発生し、モータの低速時の安定動作に影響を与えます。
2.絶縁体に対してインパルス電圧と軸方向電圧（電流）を発生させる
a) サージ電圧が発生します。モータが運転中、印加電圧には周波数変換装置の部品が整流される際に発生するサージ電圧が重畳されることが多く、サージ電圧が高くなると、コイルに繰り返し電気ショックを与え、絶縁体を損傷する可能性があります。
b) 軸方向電圧と軸方向電流の発生。軸電圧の発生は主に磁気回路の不均衡と静電誘導現象の存在によるものであり、通常のモータでは深刻ではありませんが、可変周波数電源で駆動されるモータではより顕著になります。軸電圧が高すぎると、軸とベアリング間の油膜の潤滑状態が損なわれ、ベアリングの寿命が短くなります。
c) 放熱は低速運転時に放熱効果に影響します。可変周波数モータは速度調整範囲が広いため、低周波数で低速運転されることがよくあります。このとき、速度が非常に低いため、通常のモータで使用される自己冷却方式による冷却空気は不十分となり、放熱効果が低下するため、独立したファン冷却を使用する必要があります。
機械的な影響は共振を起こしやすく、一般的に、あらゆる機械装置は共振現象を起こします。しかし、一定の電力周波数と速度で動作するモーターは、50Hzの電気周波数応答の機械的固有振動数との共振を避ける必要があります。周波数変換を使用してモーターを動作させる場合、動作周波数の範囲が広く、各コンポーネントには固有の固有振動数があるため、特定の周波数で共振を起こしやすくなります。
投稿日時：2025年2月25日