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インバーターの干渉問題解決法

2016-05-14View Original

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インバータは整流回路とパルス電圧波形発生回路を含み、入力された交流電流は変流器および平滑回路による整流を経て直流電圧に変換され、インバータによってその直流電圧が異なる幅のパルス電圧(パルス幅変調電圧、PWMと呼ばれる)に変換される。このPWM電圧でモーターを駆動することで、モーターのトルクと速度を調整することができる。この動作原理により、以下の3種類の電磁干渉が生じます。1、高調波干渉 整流回路では高調波電流が発生し、この高調波電流が供給系統のインピーダンスにおいて電圧降下を引き起こし、電圧波形が歪むことになります。この歪んだ電圧は、多くの電子機器に干渉を与えます(ほとんどの電子機器は正弦波電圧の条件下でのみ動作可能だからです)。一般的な電圧の歪みとしては、正弦波の頂部が平らになることがあります。高調波電流が一定の場合、電源が弱いときに電圧歪みはより深刻になる。この干渉の特徴は、装置とインバーターの距離に関係なく、同じ電力系統で使用されている機器に干渉を及ぼすことである。 2、RF伝導による放射妨害 負荷電圧がパルス状であるため、インバーターが電力網から取り込む電流もパルス状となります。このパルス電流には多量の高周波成分が含まれており、RF妨害を引き起こします。この妨害の特徴は、同じ電力網を利用する機器に干渉を及ぼす点であり、機器とインバーターの距離には関係ありません。 3、RF放射干渉 RF放射干渉は、インバータの入力ケーブルと出力ケーブルから発生します。上述のRF伝導による放射干渉の場合、インバータの入力ケーブルにRF干渉電流が流れると、ケーブルはアンテナのような役割を果たすため、必然的に電磁波が放射され、放射干渉が生じる。インバータの出力ケーブルを通じて伝送されるPWM電圧も、豊富な高周波成分を含んでおり、電磁波放射を生じて放射干渉を引き起こします。放射干渉の特徴は、他の電子機器がインバーターに近づくと、干渉現象が深刻になることです。 電磁気の基本原理によれば、電磁干渉が発生するためには3つの要素が必要である。すなわち、電磁干渉の発生源、電磁干渉が伝わる経路、そして電磁干渉に敏感なシステムである。干渉を防ぐために、ハードウェアによる干渉対策とソフトウェアによる干渉対策を用いることができる。その中で、ハードウェアによるノイズ対策は、最も基本的かつ重要なノイズ対策です。一般的には、ノイズの抑制と除去の2つの観点から対処が行われ、その基本原則は、ノイズ源を抑制・排除し、ノイズがシステムに影響を与える経路を断ち切り、システムがノイズ信号に過度に敏感にならないようにすることです。具体的な対策としては、工学的に絶縁、フィルタリング、シールド、接地などの方法が用いられる。以下が、現場での干渉を解決するための主な手順です:1、ソフトウェアによる抗干渉対策を採用する:具体的には、インバーターのヒューマンインターフェースを通じてインバーターのキャリア周波数を下げ、その値を適切な範囲に設定することです。もしこの方法が効果を発揮しない場合は、以下のハードウェアによる干渉対策を講じるしかありません。2、適切なアース接続を行う:現場での実態調査により、現場のアース状況はあまり良くないことがわかる。適切なアース接続は、システムが外部からの干渉を効果的に抑制するとともに、装置自体が外部に与える干渉も低減させることができ、インバーターの干渉問題を解決するための最も有効な手段です。具体的には、以下の点を実施する必要があります:(1)インバータの主回路端子Eは必ず接地しなければなりません。この接地は、そのインバータに接続されているモーターと共通の接地点としても良いですが、他の機器とは共通にしてはならず、別途接地極を設ける必要があります。また、その接地点は弱電機器の接地点からできるだけ離れた場所に設けるべきです。また、インバータの接地導線の断面積は4mm2以上でなければならず、長さは20m以内に抑えるべきです。(2)その他の機械電気設備のアース線においては、保護接地と作業接地を分けて別々の接地極を設け、最終的に配電盤の電気接地点に接続する。制御信号のシールドグラウンドと主回路導線のシールドグラウンドも分けて別々のアース極を設け、最終的に配電盤の電気接地点に集約する。 4. 干渉源の遮断 干渉源を遮断することは、干渉を抑制するための非常に効果的な方法です。通常、インバーター自体は鉄製のケースでシールドされており、電磁干渉が漏れ出るのを防いでいるが、インバーターの出力線は鋼管でシールドするのが望ましく、さらに磁気リングを取り付けて平行に3~4回巻くと、高調波の抑制に役立つ。特に、外部信号(コントローラーから出力される4~20mAの信号)によってインバーターを制御する場合、その制御信号線はできるだけ短く(一般的に20m以内)し、シールド付きツイストペアケーブルを使用し、主回路線(AC380)および制御線(AC220V)から完全に分離する必要がある。また、システム内の電子センサー機器の配線にも、特に圧力信号においてはシールド付きツイストペアケーブルの使用が求められます。また、システム内のすべての信号線は、主回路線や制御線と同じ配管やケーブルトレイに入れてはならない。シールドを効果的にするためには、シールド層を確実にアースする必要があります。 5、合理的な配線の具体的な方法は以下の通りです:(1)機器の電源線と信号線は、可能な限りインバーターの入力・出力線から離して配線する。(2)他の機器の電源線と信号線も、インバーターの入力・出力線と平行にならないようにする;上記の方法を試しても効果がない場合は、次の方法に進んでください。 6、干渉の分離いわゆる干渉の分離とは、回路上で干渉源と干渉を受けやすい部分を分離し、電気的な接続が生じないようにすることです。通常、電源とコントローラやトランスミッタなどのアンプ回路との間の電源線には、干渉の伝播を防ぐために絶縁トランスが使用され、電源用の絶縁トランスとしてはノイズ絶縁トランスが利用できる。 7、システム回路にフィルターを設置する。装置用フィルターの役割は、インバータから電源線を通じて電源やモーターに干渉信号が伝わるのを抑制することです。電磁ノイズや損失を減らすため、インバータの出力側に出力フィルタを設置できます。また、電源への干渉を抑えるため、インバータの入力側に入力フィルタを設置することも可能です。回路にコントローラーやトランスミッターなどの敏感な電子機器がある場合、干渉の伝播を防ぐために、その機器の電源線に電源ノイズフィルターを設置することができます。フィルターは使用場所によって次のように分類される:(1)入力フィルターには通常2種類あり、a、回路フィルター:主にインダクタコイルで構成され、高周波における回路のインピーダンスを増大させることで、高周波の高調波電流を減少させる。b、放射フィルター:主に高周波コンデンサで構成され、放射エネルギーを持つ、非常に高い周波数の高調波成分を吸収する。 (2) 出力フィルタもインダクタコイルで構成されている。それは出力電流中の高次調波成分を効果的に低減することができる。干渉に対抗するだけでなく、電動機内で高調波によって生じる高調波電流が引き起こす追加トルクも低減する。インバータ出力端のノイズ対策においては、以下の点に注意する必要がある:a、インバータの出力端にはコンデンサを接続してはならない。これは、インバータトランジスタが導通(遮断)する瞬間に非常に大きな電流が流れ、トランジスタが損傷するのを防ぐためである;b、出力フィルタがLC回路で構成されている場合、フィルタ内のコンデンサが接続されている側は、必ずモーター側と接続しなければならない。 8、リアクトルの使用 インバータの入力電流に含まれる低周波数の高調波成分(5次高調波、7次高調波、11次高調波、13次高調波など)の割合は非常に高い。これらは他の機器の正常な動作を妨げるだけでなく、大量の無効電力を消費するため、回路の力率を大幅に低下させる。入力回路にリアクトルを直列に接続することは、低次高調波電流を抑制する有効な方法である。接続位置によって、主に以下の2種類があります:(1)交流リアクトル:電源とインバータの入力側の間に直列に接続されます。その主な機能は以下の通りです:a、高調波電流を抑制することにより、力率を(0.75-0.85)まで向上させる;b、入力回路内のサージ電流がインバーターに与える影響を軽減する;c、電源電圧の不平衡がもたらす影響を軽減する。 (2) 直流リアクトル:整流ブリッジとフィルタコンデンサの間に直列に接続される。その機能は比較的単純で、入力電流中の高調波成分を低減することだけです。しかし、力率向上の面では交流リアクトルよりも効果的で、0.95に達するほか、構造がシンプルで体積が小さいといった利点がある。図1は、インバーターの干渉を解決する典型的な方案です。図に示すように、インバータのノイズ対策としては、主にインバータの入力側に交流リアクトルやフィルタを設置し、入力線と出力線にはシールドケーブルを使用する。また、すべてのケーブルのシールド層は、リアクトル、フィルタ、インバータ、およびモーターの保護接地と共に接地され、この接地点は他の接地点から十分な距離を保って分離されている。また、信号ケーブルとインバータの動力ケーブルは平行に配置しないでください。 また、インバータによる信号や制御回路への干渉を防ぐため、コントローラ、計測器、産業用コンピュータには別途の絶縁電源を用いて電力を供給する必要がある。

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