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豆知識
インバータ制御
インバータ制御とは、インバータ装置を用いて、電圧と周波数を可変にし、主にモータの回転速度（回る速さ）やトルク（回す力の強さ）を自在に制御するために使われる電力変換技術の一つです。産業用機械や家庭用電化製品、交通システムなど、幅広い分野で活用されています。
インバータ制御の基本的な仕組みは三つのプロセスで構成されています。まず、コンバータを介して交流を直流に変換する整流（Rectification）を行います。整流にはダイオード＊1やサイリスタ＊2などが使われます。次に整流後の直流は波があるため、コンデンサなどを用いて滑らかな直流にする平滑化（へいかつか：Smoothing）を行います。最後に平滑化された直流を、インバータ回路のトランジスタ（IGBTなど）＊3によって高速でオン・オフを繰り返し、任意の周波数や電圧の交流に再変換（Inversion）します。
こうして、任意の周波数・電圧に調整した交流を作ることが、モータを制御する上で鍵となります。なぜなら、モータの回転速度は供給される交流の周波数に比例するからです。つまり、周波数を変えることでモータの回転数を自由に制御できるため、次の三つの利点が得られます。
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① 省エネルギー
モータの回転数を機器の負荷に応じて制御することで、過剰な電力を消費することなく、効率的な運転を可能にします。 -
② 柔軟な速度制御
モータの速度を滑らかに調整できるため、製造ラインや搬送装置などで精密な制御が可能です。また、負荷の変動に応じてリアルタイムで回転数を調整したり、回転数を一定に保ったりするなど高精度な運転も可能です。 -
③ 機械の寿命延長
急激な起動・停止による負荷を軽減できるため、モータや機械全体の負担を減らし、寿命を延ばす効果が期待できます。
インバータ駆動のモータは、工場ではコンベアなどの搬送装置・ポンプ・ファンなどの速度制御に、家庭では、エアコン・冷蔵庫・洗濯機などの電化製品に、そして交通分野では電車・電動車両・エレベータのシステムなどに活用されています。さらに、太陽光・風力発電などの再生可能エネルギーシステムにおいても不可欠です。
従来のインバータ制御では、モータの周波数と電圧を比例的に変えることで回転数を制御しますが、トルク制御の精度が低く応答性も遅いという課題がありました。これを改善するために開発されたベクトル制御＊4は、トルクを精密に制御できるのが特徴です。また、回転速度や位置を正確に把握するためのセンサを使わずに、計算などからモータの状態を推定するセンサレス制御など、最近ではこれらの高度なインバータ制御技術が登場し、より高精度で効率的な運転が可能となっています。
- ＊1：ダイオード
電流を一方向にだけ流し、逆流を防ぐ半導体部品。 - ＊2：サイリスタ
主に交流（AC）や直流（DC）回路のオン・オフスイッチとして使われる半導体素子。 - ＊3：トランジスタ（IGBT）
トランジスタは電流を制御する半導体素子の総称で、IGBTはその一種。大電流を扱いやすく、インバータ回路のスイッチとして広く使われる。 - ＊4：ベクトル制御
モータのインバータ制御を高度化するための手法。モータ内部の磁界を座標変換して「d軸（磁束方向）」と「q軸（トルク方向）」に分け、それぞれの電流成分を独立に制御することで、トルク応答や効率を向上させる。
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