信頼性の高いVFDモータ制御とセンサフィードバックのためのケーブルの選択方法

産業用オートメーションとエネルギー効率の向上に向けた取り組みにより、コンベヤ、ポンプ、産業用ロボットなどのモータシステムにおける可変周波数ドライブ（VFD）の使用が増加しています。これらのモータ用のケーブルの選定は、負荷電流に基づいてワイヤゲージを選び、動作電圧に応じた絶縁定格を決めるだけという単純な作業ではありません。

最新のVFDモータシステムでは、立ち上がり・立ち下がりが極めて早いパルス幅変調（PWM）駆動信号を生成するスイッチ方式のパワーエレクトロニクスが採用されています。このような高速な遷移時間は、ケーブルとモータ端子間のインピーダンス不整合によって生じる反射を悪化させ、ケーブルに沿って電圧ストレスを高める定在波を引き起こす可能性があります。さらに、線間および対地間ケーブルの静電容量は、ドライブの性能に影響を与え、充電電流を増加させる可能性があります。VFDのPWM信号には高周波の高調波が多く含まれているため、モータケーブルは電磁干渉（EMI）を低減するために効果的にシールドを施す必要があります。

本記事では、VFDの概要を説明し、適切な機能性、信頼性、安全性を確保するためにVFDモータケーブルを選択する際、設計者が直面する課題について考察します。続いて、LAPPのVFDケーブルを紹介し、過酷な環境下においてEMIエエミッションおよび感受性を低減しつつ、安定した電力と制御信号を伝送するために、これらのケーブルがどのように活用できるかを解説します。

VFDの紹介

産業用オートメーションには、全回転数範囲にわたって両方向に動作可能な、信頼性が高く効率的なモータが必要です。VFD（可変速ドライブとも呼ばれる）は、モータへの電源入力周波数、電圧、デューティサイクルを変化させることにより、AC誘導モータ（ACIM）の速度とトルクを調整するモータコントローラです。その動作原理は、AC入力を整流し、DC出力を用いてPWM信号を生成し、モータを駆動するというものです。幅広いモータ駆動システムにおいて、これらのパルスの周波数、幅、振幅を調整することで、モータの速度と出力トルクを制御することができます。

その機能を果たすため、VFDは3つの主要なコンポーネントで構成されています（図1）。ACをDCに変換する整流器、DCをPWM信号列に変換するインバータ、そしてVFDコントローラです。

図1：VFDはAC入力を整流し、DCを使用してPWM信号を生成し、モータの速度と出力トルクを制御します。（画像提供：Art Pini氏）

コントローラは、レゾルバ/エンコーダなどのフィードバックデバイス、タコメータ、温度および振動センサなどのセンサを使用してモータの動作を監視し、主要なモータパラメータを管理します。

その整流器は、従来のダイオードを使用し、その後にフィルタを配置しています。インバータでは、パワー電界効果トランジスタ（FET）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）を採用しています。これらは、VFDコントローラで制御される絶縁高電圧ゲートドライバによって駆動されます。

VFDの動作は、モータを駆動する信号が正弦波ではなく、PWMパルスであるという点で、従来の3相AC動作とは異なります（図2）。

図2：VFDのPWMパルスはモータ巻線に正弦波状の電流応答を発生させます。（画像提供：LAPP）

PWM信号の周波数は一般的に2kHz～20kHzの範囲です。インバータは、モータをプラスとマイナスのDCバス、およびDCコモン電圧（中性点）に交互に接続します。DCバス電圧はAC主電源電圧のピーク値に近い値となります。印加されるVFDのPWM波形は、モータの速度とトルクを制御する正弦波状の電流応答を生み出します。

VFDとモータを接続するために特殊なケーブルが必要なのは、PWM波形の特性によるものです。この波形は矩形パルスであり、高調波を多く含む広い周波数スペクトルを持っています。VFDケーブルは、これらの高周波信号の放射を抑えるように設計されています。さらに、インバータスイッチにおけるスイッチング損失を最小限に抑え、効率を最大化するために、パルスの立ち上がり・立ち下がりは可能な限り高速化されています。これにより、電圧変化率（dV/dt）の高いパルスエッジが発生します。これらの特長は、急峻なエッジと高スペクトル成分と相まって、高レベルのEMIを引き起こす可能性があります。また、急峻なエッジは、ケーブルに沿ってインピーダンスが変化する際に伝送線路の反射を引き起こす可能性があります。反射によってケーブルに定在波が発生し、ケーブルの長さに沿って電圧が上昇するため、VFDケーブルには高い定格電圧が必要になります。

金属導体間のケーブルの静電容量も、もう1つの懸念事項です。インバータのスイッチがケーブルをDCバスに接続すると、電流サージが発生し、ケーブルの静電容量が充電されます。これにより瞬間的な電流レベルが上昇し、ケーブルの損傷を引き起こす可能性があります。このコモンモード電流は、相間、あるいは相から接地へ流れることがあります。また、モータのベアリングを通して、モータフレームを経由し、接地へ戻ることがあります。ベアリングを流れる電流は、その表面に孔を開け、モータの寿命を縮める原因となります。このような問題は、一般的に、より高い電圧、より高い定格モータ馬力（HP）、より長いケーブル長で使用されるVFDで発生します。

すべてのワイヤやケーブルと同様に、ケーブルの直流抵抗に電流が流れることで電力損失が生じる可能性があります。さらに、PWM信号の周波数帯域幅が広いため、表皮効果によってケーブルの抵抗が増加する可能性があります。これらの抵抗の影響は、ケーブルの長さによって変化します。

VFDケーブルにより接続上の課題を直接解決

LAPPのӦLFLEX VFD 2XL（信号付き）ケーブルファミリ（図3）は、産業環境や固定設置、および時々曲げを必要とする用途におけるVFDの運用向けに設計されています。これらの製品は、VFDの運用において見られる多くの問題に対処します。

図3：VFD用途に関連する主な設計上の特長を示す、代表的なӦLFLEX VFD 2XL（信号付き）ケーブルの2つの外観を示します。（画像提供：Art Pini氏、LAPPの資料に基づく）

最も基本的な特長は、電源導体の構造です。ケーブルの撚り構造は、ケーブルの柔軟性と電源容量に影響を与えます。このLAPP VFDケーブルファミリは、北米および欧州のクラス5ケーブル撚り線規格に適合しています。クラス5の導体は、非常に細い錫メッキ銅線を多数使用し、柔軟性の高いケーブルとなっています。サーキュラーミルエリア（CMA）は、同等のアメリカンワイヤゲージ（AWG）サイズを上回る場合があります。これにより、直流抵抗が低減され、ケーブル両端の電圧降下が小さくなり、電力損失が減少します。信号線ペアは直径が小さく、クラスKの撚り線に準拠しています。

各ケーブルには、印刷された相ラベルが3本の黒色絶縁電源線、緑/黄色のストライプの接地線、および2本の導体からなるシールド付きツイストペア信号ケーブルが含まれています。

ケーブル内部のワイヤは、熱、湿気、化学物質に耐性のある熱硬化性プラスチックである架橋ポリエチレン（XLPE）で個別に絶縁されています。XLPEは優れた熱機械特性を有しており、過電流状態による熱に耐えることができます。また、誘電率が低いため、ケーブルの静電容量が減少し、充電電流やコモンモード電流を最小限に抑えることができます。さらに、誘電率が低いため、絶縁導体間の間隔を狭めることができ、ケーブルの直径を小さくしながら、最大使用電圧を上げることが可能です。

ケーブルの外被は、特別に配合された熱可塑性エラストマ（TPE）で作られています。TPEは、プラスチックとゴムの両方の性質を併せ持つ、柔軟で耐久性に優れた材料です。耐熱性、耐油性、耐薬品性、耐紫外線性、耐オゾン性に優れているため、産業環境での使用に適しています。

ӦLFLEX VFD 2XLファミリは、放射EMIを最小限に抑えるための金属シールドを備えています。1次シールドは、100%の被覆率を実現する3層ラミネートホイルテープです。2次シールドは、85%の被覆率を持つ錫メッキ銅編組線で構成されています。バリアテープが、シールド層の下にある絶縁コア線を保護しています。適切に接地された場合、これらのシールドは、外部からの干渉がケーブルに侵入するのを防ぎ、ケーブル自体からの放射を低減することで、EMI保護を提供します。ドレインワイヤがケーブルの全長を通っており、柔軟な接地オプションを提供します。

より細いワイヤゲージのツイストペア信号線は、ブレーキ制御や温度センサなどの制御やセンサ接続に使用されます。信号線ペアもホイルテープでシールドされており、専用のドレインワイヤを備えています。

LAPP ӦLFLEX VFDケーブルの選定

VFDモーターシステムの全体的な性能は、適切なVFDケーブルの選択によって大きく左右されます。ӦLFLEX2XL VFD（信号付き）ファミリは、さまざまなモータサイズに対応できるよう、幅広いワイヤゲージを用意しています。16AWG（1.5mm²）～2AWG（33.7mm²）までのケーブルが含まれており、14AWG、12AWG、10AWG、8AWG、6AWG、4AWGといった中間ワイヤゲージも用意されています。これらのケーブルは、4本の電源導体（3本の相線と1本の接地線）と、2芯のツイストペア信号ケーブルを備えています。すべてのケーブルは、アンダーライターズラボラトリーズ（UL）のトレイケーブル規格に準拠し、最大2,000V_ACrmsに対応しています。適切なワイヤゲージは、全負荷電流（FLC）に関係するモータの馬力（HP）に加え、敷設長およびケーブルに沿った許容可能な電圧降下によって決まります（図4）。

図4：モータの定格馬力（HP）に必要なVFDケーブルのワイヤゲージを示しています。（画像提供：LAPP）

電線サイズは、AWGまたは断面積（KCMIL：1,000サーキュラーミル単位）で表記されています。サーキュラーミルは、0AWG以上のワイヤゲージに使用されます。

たとえば、LAPP700710は、4本の16AWG電源導体と2本の18AWG信号線を持つVFDケーブルです。これは、直径0.652インチ（16.6mm）で、ӦLFLEX VFD 2XLファミリの中で最小のVFDケーブルです。ケーブルの直径によって最小曲げ半径が決まります。これはケーブル直径の7.5倍、つまり4.9インチ（124mm）となります。また、これらのケーブルの重量は、1,000フィートあたり約200ポンド（lb）と規定されています。ケーブル重量は、ケーブルトレイなどの支持構造を設計する際、重要になります。表によると、このケーブルは3つの線間電圧すべてにおいて、0.5HP～2HPの範囲のモータに使用可能です。また、460Vおよび575Vラインでは、3HP～5HPのモータにも使用できます。

LAPPの700713は、直径0.798インチ（20.3mm）の6芯（10AWG x 4本、18AWG x 2本）VFDケーブルです。本製品は、460Vで動作する15HP～20HPのモータ、575 Vで動作する20HPのモータ、および230Vで動作する7½HP～10HPのモータに適しています。

このシリーズで最も太いケーブルはLAPP 700717です。これは6芯（2AWG x 4本、14AWG x 2本）のVFDケーブルです。直径は1.4インチ（35.6mm）、重量は1,000フィート当たり1,580ポンドです。230Vで動作する50HPモータ、460Vで動作する100HPモータ、または575 Vで動作する125HPモータに対応しています。

まとめ

VFDの導入が加速する中、設計者はプロジェクトの成功を確実にするため、適切な接続ケーブルを慎重に選択する必要があります。LAPP ӦLFLEX VFD 2XL（信号付き）シリーズのケーブルは、幅広いVFDドライブとモータアプリケーションに対応しています。マルチシールド設計により、ノイズの多い産業環境でも信頼性の高い性能を保証し、耐久性に優れた産業用グレードの外被は、水、油、および過酷な化学物質に耐性があります。