VFDとVSDの使用効果を最大化するために必要なサポート製品とは？- 第1部

この記事シリーズの第1部では、モータ接続ケーブル、出力リアクタ、制動抵抗器、ラインリアクタ、ラインフィルタを選択する際に考慮すべき点について見ていきます。第2部では、VSD/VFDとサーボドライブの違いを見て、ACおよびDC回転サーボモータとリニアサーボモータの用途を検討し、ソフトスタート-ストップユニットが生産工程にどのように適合するかを検討し、DCコンバータがセンサ、ヒューマンマシンインターフェース（HMI）、安全装置などの周辺機器の電源としてどのように使用されているかを見ていきます。

可変速ドライブと可変周波数ドライブ（VSD/VFD）の使用は、生産工程の効率と持続可能性を最大化するために必要ですが、それだけでは不十分です。VSD/VFDから最大限の性能を引き出すには、高性能ケーブル、制動抵抗器、ラインフィルタ、ラインリアクタ、出力リアクタなどの追加コンポーネントが必要です。

ケーブル配線は至る所にあって、とても重要です。VSD/VFDとモータを接続するケーブルの仕様が不適切な場合、システムの性能が著しく低下する可能性があります。制動抵抗器、フィルタ、リアクタなどのその他の要素は、設置環境によって異なり、導入を成功させるために非常に重要になります。

たとえば、電磁妨害（EMI）を制御する必要がある領域で動作するシステムもあり、EN 61800-3カテゴリC2に適合するラインフィルタを使用することで恩恵を受けることができます。急減速が必要な用途では、制動抵抗器が必要になります。ラインリアクタは力率を改善し、効率を高めることができ、出力リアクタはより長いケーブルの使用を可能にします。

この記事では、モータ接続ケーブルを選択する際の考慮事項から始まり、LAPPとBelden の代表的なケーブルオプションを紹介します。次に、出力リアクタ、制動抵抗器、ラインリアクタ、ラインフィルタの選択に影響を与える要因について、ABB、Schneider Electric、Omron、Delta Electronics、Panasonic、 Siemensの代表的な機器を含めて検討します。

モータケーブルは、特定のアプリケーションの要件を満たすために、さまざまな構成で利用可能です。通常、3本の主電源導体があり、架橋ポリエチレン（XLPE）で絶縁されていることが多いです。アース線が絶縁されていないものもあります。さまざまな信号線があり、編組やホイルシールドの選択肢も多数あります。アセンブリ全体は、環境的に頑丈な外部被覆で覆われています（図1）。

図1：VFDモータケーブルにはさまざまな構成があります。（画像提供：Belden）

Belden Basics の部品番号29521C 0105000 のような基本的なケーブルでさえ、導体、シールド、絶縁体のアセンブリは複雑です。これらのケーブルは、XLPE絶縁で覆われた3本の14AWG（7x22撚り）銅導体と、3 本の18AWG（7x26 撚り）非絶縁銅アース線を備えています。これらの6本のワイヤは、2重のヘリカルテープシールドで囲まれ、100%の被覆率を提供し、ケーブルアセンブリ全体は、環境保護のためにポリ塩化ビニル（PVC）外部被覆で覆われています。

Belden Basic ケーブルは、米国電気工事規定 (NEC) で定義されているクラス1ディビジョン2の危険場所での使用に適しています。クラス1とは、可燃性ガス、蒸気、液体を取り扱う施設を指します。ディビジョン2では、これらの可燃性物質は通常、引火するほどの高濃度では存在しないと規定されています。

LAPPのÖLFLEX VFD 1XL のようなケーブルシリーズには、信号線付きと信号線なしがあります。信号線があった方が有利なアプリケーションには、LAPPの701710ケーブルを使用することができます。電源線3本、アース線1本、信号線1対が含まれます。電源導体は1AWG（26x30撚り）で、XLPE（プラス）絶縁です。信号ペアは個別にホイルシールドされています。

アセンブリ全体は、バリアテープ、3層ホイルテープ（被覆率100%）、錫メッキ銅編組（被覆率85％）でシールドされています。外部被覆は、消毒液に耐性のある特別に調合された熱可塑性エラストマー（TPE）で、通常、食品、飲料、化学、および関連産業で使用されます。

VFDケーブルは、電力と信号を確実かつ効率的に扱うことに加え、ドライブの高周波動作に起因する高電圧スパイクと電磁妨害（EMI）ノイズレベルに対応する必要があります。VFDケーブルは、高電圧スパイクと EMI を抑制し、管理するように設計されていますが、限界があります（図 2）。そこで、負荷リアクタが高電圧スパイクとEMIを低減するのはそのためです。

図2：制御できない高電圧スパイクは絶縁体を貫通し、ケーブルの故障につながります。（画像提供：LAPP）

VFDケーブルの選択に関するより詳細な議論は、「信頼性と安全性を向上させ、炭素排出量を削減するVFDケーブルの指定と使用法」を参照してください。

負荷リアクタ

出力リアクタとも呼ばれる負荷リアクタは、高電圧スパイクやEMIの影響を低減するためにドライブの出力の近くに接続され、ケーブルとモータの両方のワイヤ絶縁を保護します。VSD/VFDは高周波（通常16～20kHz）出力を発生します。高周波スイッチングの結果、電圧上昇時間は数マイクロ秒となり、モータのピーク電圧定格を超える高電圧スパイクを引き起こし、絶縁破壊に至る可能性があります。

使用するモータのタイプにもよりますが、VFDケーブルの長さが30mを超える場合は、負荷リアクタを使用することをお勧めします。例外もあります。たとえば、モータがNEMA MG-1 Part 31規格に適合している場合、負荷リアクタを使用せずに90mケーブル（300フィート）を使用することが可能な場合があります。

モータの種類にかかわらず、ケーブル長が90mを超える場合は、一般的に負荷リアクタの使用を推奨します。距離が150mを超える場合は、通常、特別に設計されたフィルタの使用を推奨します。EMIの影響を受けやすい環境では、すべてのアプリケーションに負荷リアクタを使用するのが一般的です。

負荷リアクタは多くの場合、特定のドライブモデルで使用するように設計されています。たとえば、Omronのモデル3G3AX-RAO04600110-DE負荷リアクタは定格11A、4.6mHで、同社の3G3MX2-A4040-V1VFDで駆動する400V 3相5.5kWモータ用に設計されています。

制動抵抗器と熱過負荷

VSD/VFDの出力側には、負荷リアクタに加えて、制動抵抗器と熱過負荷シャットダウンデバイスを追加することが不可欠です。制動抵抗器は、制動エネルギーを吸収することにより、最大の過渡制動トルクを可能にします。ほとんどの制動抵抗器はエネルギーを消散しますが、中にはエネルギーを回収して再利用する回生ブレーキシステムの一部として使用されるものもあります。

消散性制動抵抗器は、特定の用途向けに定格されています。Schneider Electricの8Ω制動抵抗器VW3A7755は、最大25kW、Delta Electronicsの100Ω制動抵抗器BR300W100は、定格300Wです。

制動抵抗器の用途は、エネルギー消散の割合（ED%）を用いて定義されます。定義されたED%は、抵抗器が制動中に発生する熱を効果的に消散できることを保証します。ED%は、図3のピーク損失、制動間隔（T1）、および全体のサイクル時間（T0）に対して定義されています。

図3：エネルギー消散率（ED%）の定義。（画像提供：Delta Electronics）

制動の程度に応じて、ED％は、ブレーキユニットと制動抵抗器が制動によって発生する熱を消散するのに十分な時間を確保するために指定されます。放熱が不十分で制動抵抗が発熱すると、抵抗が増加して電流が流れにくくなり、吸収するブレーキトルクが低下します。

制動抵抗器は、次のようなさまざまな消散サイクルによって定義することができます。

• 40秒ごとに0.8秒間、制動力が公称トルク（Tn）の1.5倍に制限される軽制動。射出成形機のような慣性の限られた機械での使用
• 制動力が40秒ごとに4秒間、1.35Tnに制限される中制動。フライホイールプレスや工業用遠心分離機のような慣性の大きい機械での使用
• 制動力が120秒ごとに1.65Tn/6秒とTn/54秒に制限されるシビアな制動。ホイストやクレーンのような、垂直方向に動く非常に慣性の大きい機械での使用

制動抵抗器に加えて、ほとんどのシステムには、ABB制御TF65-33熱過負荷リレーのように、安全対策として制動抵抗器に接続された熱過負荷ユニットが含まれています。熱過負荷ユニットは、頻繁なブレーキ操作や強すぎるブレーキ操作から抵抗器とドライブシステムを保護します。熱過負荷が検出されると、ドライブはオフになります。ブレーキ機能のみをオフにすると、ドライブに重大な損傷を与える可能性があります。

ドライブ入力の保護

ドライブ入力のラインリアクタとフィルタは、それぞれ低周波高調波と高周波EMIを制限します（図4）。ラインリアクタは、ドライブ回路によって引き起こされるAC入力電力の高調波歪みを低減するのに役立ちます。IEEE-519「電力システムにおける高調波制御」の要件を満たす必要があるアプリケーションでは、特に有用です。ラインリアクタはまた、サージ、スパイク、過渡現象などの主電源の障害を取り除き、運転の信頼性を高め、過電圧シャットダウンを防ぎます。

図4：ラインフィルタは高周波EMCを制限し、ラインリアクタは低周波高調波を制限します。（画像提供：Siemens）

ラインリアクタの例としては、Panasonicの3相ドライブおよびアクセサリのMinasシリーズの一部である定格8AのDV0P228 2mHインダクタや、Siemensの最大4Aの入力電流を引き込み、3相380V_AC -10%～480V_AC +10%の電力で動作する最大1.1kWのドライブ用の定格2.5mHインダクタである6SL32030CE132AA0などがあります。

ラインフィルタ

ほとんどのアプリケーションでは、電磁両立性（EMC）をサポートし、EMI保護を提供するためにラインフィルタが必要です。特定の環境に応じて、EMIフィルタにはクラスAとクラスBの2つの分類があり、それぞれ産業用と商業用（ビル）の環境で使用されます。クラスBはクラスAよりも高いレベルのフィルタリングが要求されますが、これは一般的に商業環境（オフィス、管理部門など）にはEMIに敏感な電子システムが含まれるためです。

関連するEMC規格には、産業、科学、医療機器のエミッション制限を詳述したEN 55011と、特に可変速ドライブに関連するIEC/EN 61800-3があります。

VFD/VSDには、ラインフィルタが内蔵されているものと、内蔵されていないものがあります。フィルタが内蔵されている場合、クラスAまたはクラスBの可能性があります。環境やケーブルの長さなどの設置要因によっては、フィルタが内蔵されたドライブであっても追加のフィルタが必要になる場合があります。クラスA環境で動作するように定格されたドライブは、オプションのフィルタを追加することで、クラスBの環境でも使用できます。

IEC/EN 61800-3は、環境とカテゴリに基づくEMC要件を定義しています。住宅は第1種環境と定義され、変圧器を通じて高圧配電網に接続されている産業設備は第2種環境と定義されます。

EN 61800-3で定義されている4つのカテゴリには、以下のものが含まれます。

• カテゴリC1：定格電圧1000V未満のドライブシステム用。
• カテゴリC2：定格電圧1000V未満の定置型ドライブシステム用、第2種環境での使用と第1種環境での使用が可能
• カテゴリC3：定格電圧1000V未満のドライブシステム用、第2種環境専用
• カテゴリC4：第2種環境における定格電圧1000V以上、定格電流400A以上のドライブシステムに対する特別要件

一般的なラインフィルタも入手可能ですが、ラインリアクタと同様に、ラインフィルタも特定のドライブファミリで使用するように設計されていることがよくあります。たとえば、Schneider ElectricのVW3A4708ラインフィルタの定格は200Aです（図5）。これは、同社のAltivar VSDとLexiumサーボドライブ用に設計されています。200V_ACから480V_ACの主電源電圧に対応し、保護等級はIP20です。EN 61800-3の定格は以下のようにモータケーブルの長さによって異なります。

• カテゴリC1：最大50mのシールドケーブル使用
• カテゴリC2：最大150mのシールドケーブル使用
• カテゴリC3：最大300mのシールドケーブル使用

図5：200V_AC～480V_ACの主電源電圧に定格された200Aのラインフィルタ。（画像提供：Schneider Electric）

まとめ

VSDとVFDは、生産工程の効率を最大化し、温室効果ガスの排出を最小限に抑えるための重要なシステムです。これらのドライブには、VFDケーブル、出力リアクタ、制動抵抗器、ラインリアクタ、ラインフィルタなど、関連する国際規格に適合した効果的で信頼性の高い設置を確実にするためのサポートコンポーネントがいくつか必要です。