Figure 1: VSD 電力回路の基本的な要素
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翻訳: T.Sato
典型的には 370W から 200kW の範囲のパワー (モータ・シャフトでのパワーとして測定) において、 小型 VSD モジュールは大量に生産される普及品となった。 価格競争は激しく、成功している製造業者は世界市場で活動している。 これらのドライブは他の産業機器と同一の EMC 規制の対象となり、装置と設備、 EMC 規則の意図におけるコンポーネントと最終製品とのあいだの 分類を行なおうとする時には困難がある。 しかし、この記事は、ドライブに特有の EMC の技術的な面のいくつかに集中する。
Figure 1 は、VSD の電力回路の基本的な要素を示す。
入力された電力 ――通常は三相であるが、場合によっては単相―― は、 L-C フィルタで平滑される DC を与えるためにダイオード・ブリッジで整流される。 その DC は、可変電圧で可変周波数の三相 AC 出力を発生するために、 パルス幅変調 (PWM) を用いて、インバータでチョップされる。
このインバータ段は、 必要な高レベルの電圧と電流 (例えば、600V、2〜500A) において 高速なスイッチング (50〜200ns のオーダーの立ち上がり時間) を提供する IGBT スイッチング・デバイスを用いる。 スイッチング周波数は、典型的には 2kHz〜20kHz の範囲内である。 インバータは、アナログやデジタルの ASIC と マイクロコントローラや DSP ――典型的には 10〜40MHz のクロック速度の 16ビットのもの―― を用いた伝統的な電子回路によって制御される。
この構成は、常に比較的大きな放熱器をその電力デバイスのために必要とし、 大抵はこれがドライブの基本構造を形成し、 またケーブル遮蔽などの EMC 接地のための手頃な低インダクタンス・ベースとなる。 そのカバーは、典型的には、 その全体の組み立てが高水準の自動化による量産のために設計された、 精密プラスチック・モールドである。
Figure 2 は、370W〜15kW をカバーする典型的なドライブのファミリーと、 いくつかのオプションの入力フィルタを示す。
１つの例外は、 ライン ― ラインで 2kV、ライン ― 接地で 4kV での妨害されない動作、 そして双方のモードで 6kV で損傷を受けないことという要求に我々の経験が導いた、 AC ラインでのサージ試験である。 雷雨が頻繁にあり、また低圧電源が架空電線で供給されている地域においては、 ライン ― ラインで 1kV、ライン ― 接地で 2kV という EN 61000-6-2 の要求は、 電源引き込みの近くの点に恒久的に接続されるかも知れない 製品のためには不充分である。
他の興味深い点は、イミュニティの達成のために用いられる手段である。 ドライブのユーザーの多くは、ドライブを、 コンタクタやモータ保護リレーと同じカテゴリーの、 本質的に電気的なコンポーネントとして扱う。 制御用配線を遮蔽し、あるいは 何らかの EMC 特有の方法で扱うことを要求するのは現実的ではない； それは、単なるむき出しの電気配線でなければならない。 従って、イミュニティの達成に用いられる手段は、 主にそのドライブの回路に組み込まれなければならない。 これは、主としてその端子の応答速度を意図された用途に整合させるという問題であり、 例えば単純なデジタル制御入力の応答時間としては 5ms 程度が期待されるに過ぎない。 これは、高速トランジェントや RF に対する応答の防止のために 単純な受動フィルタを使用することを可能とする。 プロセッサを高速トランジェント・バーストから、 またアナログ回路を伝導性や放射性の RF から保護するためには、 慎重な配置と細部にわたる注意が必要である。
一部のポート、特にシャフト・エンコーダ入力や Profibus のような産業用バス・システムのためのデータ・ポートなどは、 高速のデジタル・データを扱う必要がある。 ここでは、帯域を制限することはできず、 インターフェース回路の「ノイジー」な部分と敏感な部分とのあいだの 浮遊容量に対するものと同様、 ケーブル遮蔽接続手段に対する慎重な注意が必要となる。
信号の接地の方針とケーブル遮蔽の処理は、 ドライブ産業における持続的な誤解の源である。 ドライブは、重工業、電子システム、そして通信の文化をまたがる。 重工業設備においては、信号ケーブル遮蔽を片端のみで接続することが 長年にわたるプラクティスであった。 これには電源システムの故障電流が遮蔽を流れる危険がある場合には良い理由があるが、 高周波イミュニティのためには １つの接続を省略することは遮蔽をほとんど役立たずなものとすることが良く知られている。 この主題は、最近の本 [1] で深く議論されている。 Tim Williams と Keith Armstrong は、 電気的故障電流のための並行接地導体を備えながら ケーブル遮蔽の多点接地接続を用いる健全な事例を示している。 しかし、大抵の場合には 機器のベンダは彼らの顧客の接地プラクティスに影響を及ぼすことはできず、 様々なアプローチを認めなければならない。
ユーザーは、様々なデジタル通信手段のより広範な使用に伴って この問題に慣れてきているが、 接地対分離の議論は依然として頻繁に発生する。 ある世界標準製品で様々な要求に合わせる必要がある製造業者のためには、 その解決は、必要に応じて使用し、あるいはバイパスすることができる、 データ・ポートの完全な絶縁を提供することである。
一般規格の要求に加えて、我々は独自の社内試験を行なう。 重要なものは、そのドライブが それ自身が発生する電気的雑音が存在する中で動作することを要求する試験である。 我々は過剰なエミッションの防止のために包括的な設置指示を提供しているものの、 その指示に従わないユーザーも、依然としてそのドライブが動作することを要求する！ 不適切な接地が行なわれた拙劣に設置されたドライブは、 1A〜2A のピークで 100ns の立ち上がり時間の繰り返しパルス電流を 信号ケーブル遮蔽に誘起させ得る。 一般規格の試験はこの現象をカバーしていないが、 物理的な原理に関する知識と設置者が犯すことがある誤りの種類に関する経験とから、 適切な試験をすぐに作り出すことができる。
ドライブの入力電流の高調波電流は、 出力段のものに似た別のインバータを用いるアクティブ入力段の使用により、 無視できる水準まで低減させられる。 これは、存在する高調波が給電側に既に存在しているものだけであるように、 供給電圧波形に追従した「逆起電力」を生じるように制御される ―― すなわち、その負荷はそれが抵抗性であるかのように振る舞う。 ドライブのインバータ段は最も高価な部分であるので、 このテクニックはコストを要するものであるが、 高調波限度に遭遇する場合には最良の解決であるかも知れない。
ドライブの電力入力は、 主にその出力ケーブルの芯線からケーブルやモータの静電容量を通して接地に流れる コモン・モード RF 電流のための還流経路を含むことから、相当の RF 電位を持つ。 これは、Figure 3 に図示されている。
入力 RFI フィルタは、電源へのエミッションを低減するための 低インピーダンスの還流経路を提供する。 Figure 4 は、 フィルタと遮蔽付き電力ケーブルがどのように RF 電流のためのループを完成し、 それがドライブ／モータ・システムの外部を流れることを防止するかを示す。
その電源電流が大きいのみではなく、 ドライブが発生する RF 電流が 普通に使われている大半の他の製品が発生するものよりも大きいことから、 VSD のための RFI フィルタの設計は非常に困難である。 これは、主に、 静電容量が 100〜200pF を超えそうにない SMPS のような良く知られたものと比較して、 ケーブルとモータの静電容量を通した浮遊結合経路が 10nF〜100nF のオーダーとなるかも知れないためである。 そのノイズの信号源インピーダンスは低く、大きな電流を発生し得る。 これは、そのフェライト・コアやフィルタ・チョークは、 それが正しく設計され、フィルタの他の部分と協調していない限り、 磁気飽和の影響を受け得ることを意味する。 飽和の影響は、そのインダクタンスが実効的に大幅に低下し、 フィルタをほとんど役立たずにするものである。 それぞれのフィルタは、磁気飽和の恐れなく扱える モータやケーブルの総静電容量の限度を持つであろう。 安価なフィルタの一部は、そのドライブの用途を著しく制約し得る、 10m のオーダーのケーブル長の限度を持つ。
50Ω/50Ω 試験における挿入損失曲線、 あるいは好まれる 0.1Ω/50Ω 試験によってさえも、 VSD での使用のためのフィルタを単純に規定することはできない。 飽和のない適切な減衰を保証するためには、それは正しい VSD、 代表的なモータ、及びモータ・ケーブルによって試験されねばならない。 設計は何年ものあいだに洗練されており、今ではそれらは競争力のある価格で入手できるが、 依然としてそのコストはドライブのコストの 5〜10% 程度となるかも知れない。
電力段のスイッチングの立ち上がり時間は 出力エネルギー成分が 20MHz 以上で急激に低下するようなものであるが、 それでも依然として 30〜70MHz の範囲での過剰なエミッションの主因となり得る。 ケーブル遮蔽の接地手段が適切である限り、 主なエミッションの経路はモータ・ケーブルの不完全な遮蔽を介したものである。
ドライブ製造業者によっては、 １つ、あるいはそれ以上の編組銅線遮蔽を用いた特殊なケーブルを推奨している。 Control Techniques における測定は、 UK で広範に用いられている安価な鋼線外装ケーブルが 同程度に良い結果を与えることを一貫して示した。 この理由は、鋼線は遮蔽としてはそれほど効果的でない (ZT が編組銅線よりも高い) ものの、 この周波数範囲における損失は高く、 実際に遮蔽を流れる電流が少なくなるためであるようである。 ケーブルはその特性インピーダンスと大幅に異なったインピーダンスで終端されており、 いくつかの周波数で強く共振する。 鋼線によって生じる損失は、有効な制動を与える。
ドライブを一般的な使用のために受け入れられるようにするためには、 使用するケーブルの種類に過度の制約があってはならない。 従って、設計者は、その出力端子における RF のレベルを管理しなければならない。 一般的な傾向は IGBT デバイスをより高速にスイッチさせるものであるので、 過剰な RF エミッションの防止のためには それらのスイッチングの挙動に充分な注意を払わなければならない。 多くの場合、決定的要因となるのは、逆並列ダイオードの逆回復特性である。 回復が高速かつソフトであるダイオードを製造していると 全ての電力半導体製造業者が主張しているが、 ごく僅かな相違が重要となるかも知れない。 パワー・エレクトロニクスの技巧と EMC とがここで結び付く。
ドライブの EMC、高調波、そしてその他の多くのドライブ関連の問題は、 最近発行された Control Techniques のハンドブック [3] に示されている。
これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。
Last update: 2002-01-18