3相インバータ – metoree本番管理

3相インバータとは

3相インバータ

3相インバータとは、インバータ回路を用いて交流の電圧値や周波数を変化させるインバータ装置のことです。

インバータ装置の中でも、変換対象が3相交流であるものを3相インバータと言います。インバータ回路とは、スイッチング機能を使用して直流電流を交流電流に変換させる回路です。

インバータ装置はコンバータ、コンデンサとこのインバータ回路の3つから成り立っています。

インバータの制御方式には次に示すものがあり、使用用途に応じて制御方式を使い分けます。

「Variable Voltage Variable Frequency」の略で、可変電圧可変周波数制御のことを指します。出力交流電力の電圧と周波数を任意制御できる方式です。

用途としては鉄道車両の交流モータ制御が挙げられ、最近ではエアコン等にも使用されています。

「Constant Voltage Variable Frequency」の略で、定電圧可変周波数制御のことを指します。出力交流電力の周波数を任意制御できる方式です。

使用用途としてはIH調理器等があります。高周波電流を流すことでより強く加熱することができます。また、低周波電流を流すと低温で加熱することが可能になります。

「Constant Voltage Constant Frequency」の略で、定電圧定周波数制御のことを指します。電圧低下を起こすことなく、安定した電源を配給するのが目的です。コンピュータの電源やUPS (無停電電源装置) 等で使用されます。

3相インバータは、交流電流が入力されるとコンバータ回路にて直流電流に変換します。コンバータ回路ではダイオードが使用されており、このダイオードは交流を一方向の直流電流に変換するのが役割です。

変換された直流電流はその後、インバータ回路に入力されます。インバータ回路にはPWMと呼ばれる制御方式で動作しています。ここでは、インバータ回路とその制御方式について詳細に説明します。

インバータ回路では、一般的にパルス幅変調が用いられています。略称ではPWM (英: Pulse Width Modulation) と呼ばれ、スイッチのON/OFF比率をコントロールすることで所定の出力を制御します。

本制御を用いることにより、低消費電力と小型化をすることが可能です。インバータ回路ではスイッチのON/OFFで負荷を流れる電流の向きが逆向きになります。このスイッチング技術と呼ばれる技術で、交流の生成を実現しています。

PWM制御方式の一つに、三角波比較方式と呼ばれるものがあります。三角波比較方式では実現したい周波数の正弦波 (交流) とキャリアと呼ばれる三角形の形をした波の高低をオペアンプに入力して比較します。

正弦波がキャリアよりも大きい値を持つときは、スイッチング制御信号はONを出力します。一方、正弦波がキャリアよりも小さい値を持つときはOFFを出力します。この比較を繰り返すことで、スイッチング制御信号であるパルス波を出力することが可能です。

なお、別の方式としてVFM (Variable Frequency Modulation:周波数可変変調) があります。本方式はPWMと比較すると、低負荷時にはVFMの方が高効率で動作します。

インバータが出力したパルス信号は、誘導モータ等に渡された際にRL過渡応答を示します。RL過渡応答とは、抵抗とインダクタンスの直列回路を含む回路では入力電圧に対して回路に加わる電圧は緩やかに上昇した後に定常状態 (入力電圧) となる応答のことです。

RL過渡応答を考慮してスイッチング周波数を調節することで、誘導モータ等に滑らかな交流を与えることが可能になります。

3相交流とは、電圧値が等しく、位相が120度ずつ異なる3つの交流を指します。位相が少しずつずれていることで各位相における交流の総和が0になります。負荷に送電した後電源に戻る電流総和が0になるため、3相交流では帰路の回路が不要になる点がメリットです。

なお、3相インバータは3相交流を変換対象としています。3相交流は他の単相交流等と比較して電力効率が良いことから、電力線内の電力輸送に使用されています。

参考文献
https://www.matsusada.co.jp/column/inverter.html
https://www.fujielectric.co.jp/products/column/inverter/inverter_02.html
https://take26.com/vvvf_inverter