三相用インバーターで単相のモーターを回す方法

Question

質問の前に現状を説明します。

今、実験で20アンペアの単相モーター用インバーターを作っています。
200ワット分相始動モーターを運転しようとしたところ、50アンペア以上の突入電流がスパイク状に流れ、50アンペアのIGBTをも破壊してしまうことがわかりました。

代わりに100ワットのコンデンサーモーターを運転すれば、突入電流がほとんどなく、出力電圧、出力電流波形ともに割合きれいにサイン波形になってくれるので、今のところ回転コントロールができています。

ここから質問です。

YouTubeに次のようなビデオがアップされています。
https://m.youtube.com/watch?v=Lugrw8zbCEk&t=44s

このビデオには添付画像のような両頭グラインダーが使われています。

ビデオの様子からモーターの回転を注意深く聞くと、ほとんど2秒間位の時間で安定的回転数まで回転が上昇している様子ですし、その安定的回転数に至る直前に遠心スイッチが切れるような摩擦音が聞こえるようですから、このモーターはおそらく分相始動モーターではないかと推察しています。

私にとって問題は、この「分相始動らしい」モーターを三相用インバーターを用いて回しているところです。
過去の経験上、三相交流の 3つのペアのうち、1ペアを取り出せば単相で使える、と言う実験をしたことがあります。これは電力会社から言わせれば、バランスが崩れるのでそのようなことはしてくれるな、と言うことになります。

しかしもともとの電源が単相であって、それを自分自身の単相→三相変換インバーターを用いて作った三相交流であれば、少なくとも電力会社にご迷惑なバランスを崩す、と言う問題はなくなって、技術的に可能でありさえすれば、このビデオのようなことができるのではないかと推察しています。

しかし、このビデオで行っている結線の方法と、理論的なところが分りません。

三相用のインバーターにおいても、インバーターの出力と、モーターの間にはスイッチの類は挟まないようにしてくれ、と言われているようですから、ますます判りません。

このビデオで行っているような実験を実際に経験された方、アドバイスをお願いいたします。

Accepted Answer

＞三相交流の 3つのペアのうち、1ペアを取り出せば単相で使える、と言う実験をしたことがあります。
＞これは電力会社から言わせれば、バランスが崩れるのでそのようなことはしてくれるな、と言うことになります。

3相入力のインバータであれば、一旦直流に変換して出力を作っているので、出力側の相バランスが崩れても、入力側の相バランスには影響しないのでそのような心配はありません。仮に入力電流の相バランスが悪くても、契約容量以内の電流であれば、高々数kW負荷に対して、電力会社は、いちいち文句を言うこともありません。

3相インバータに1相分を使って、単相モーターがうまく回っていれば、それで十分ではありませんか？

理屈を言えば、コンデンサを使ったモーターは、主巻線と分相巻線の周波数特性が大幅に異なるので、周波数の可変による回転数制御には適しません。
ただし、コンデンサ・ランのモーターであれば、コンデンサを外して2相の交流を印加すれば、3相モーターと同様に、周波数の可変による回転数制御が可能です。
2相の交流は、3相インバータの出力にスコットトランスを接続すれば得られます。

Answer

標準モーター(＝かご型誘導電動機)をインバーターで可変速運転したい場合、
インバーターの出力電圧と出力周波数の関係を出力電圧と出力周波数を比例
(＝Ｖ／ｆ比一定制御)させる必要があります。
これはモーターを最適な状態で回転させるための条件で、低い周波数で運転
する時にはモーターに加わる電圧も周波数に比例して低い周波数にする必要
があります。
また、実験で判かるように、いきなりモーターに定格電圧を加えますと始動
電流が約6倍程度の始動電流が流れますので大容量のパワートランジスター
を使用することになりますので不経済となります。
このために始動に低い周波数を加え、同時に比例した低い電圧をモーターに
加えて始動します。
始動後徐々に出力周波数と出力電圧を上昇させて希望の運転周波数で運転
させています。
このことを「加速時間」と称します。
また、停止する時にはモーターの負荷装置の慣性モーメントにより回生エネ
ルギーが発生します。
この回生エネルギーにより、回路に過電圧が発生します。
これにより、パワートランジスタが破損することがありますので、
「減速時間」と称す機能により徐々に周波数を下げて停止させています。
必要により急減速させたい場合は回路に抵抗器を設けて回生エネルギーを
消費させています。

また、単相モーターにしますと分相始動型モーターですと始動して回転速度
がある程度、上昇してから遠心開閉器により分相始動用巻線を切り離す必要
があるため、巻線からサージ電圧が発生します。
これにより、パワートランジスターなどの半導体回路が故障しますので、
分相始動型モーターはインバータ－運転には不向きです。

また。単相モーターにはコンデンサーラン型モーターがありますが、前述の
通り始動時には低い周波数で起動しますが、コンデンサーの特性から低い
周波数ではコンデンサーのインピーダンスが低い値となるため、大きな電流
が流れるため、パワートランジスターなどの容量を大きくする必要があり、
不経済となります。
これらことから単相モーターではなく、小型の3相モーターを使用すること
をお勧めします。
また、入力電圧を単相AC100V または 単相AC200Vとし、出力は3相の
～AC200Vとしたインバーターをインバーターメーカーが製作販売されてい
ますので、これらのインバータと3相AC200Vの小型かご型誘導電動機を購入
して運転すると良いでしょう。

なお、勉強のために実験している場合は単相入力型のメーカー製インバータ
を購入し、これを手本として実験機を製作すると良いでしょう。
また、モーターは単相モーターでは無く、3相モーターにします。
単相モーターより3相モーターの方が圧倒的に多く生産されていて入手も容易
です。これにより価格もより経済的になるでしょう。

インバーターについては下のURLをクリックして参考にすると良いでしょう。

「低圧インバーター／FRENIC-Mini／富士電機(例)」
https://www.fujielectric.co.jp/products/inverter/frenic-mini/

「低圧インバーター／形式一覧／富士電機(例)」
https://www.fujielectric.co.jp/products/inverter/frenic-mini/specification/

インバーターメーカーではインバーターの技術セミナー(東京、名古屋、大阪)
が開催されています。
必要により申し込んで受講して知識向上と、合わせて疑問を質問すると良い
でしょう。

「低圧インバーター／技術セミナー／富士電機(例)」
https://www.fujielectric.co.jp/about/corporate/event/seminar/index.html

「低圧インバーター／技術セミナー／スケジュール／富士電機(例)」
https://fujiseminar.leaf-hrm.jp/open_seminars/index/page:1/sort:Classroom.classroom_name/direction:asc

三相用インバーターで単相のモーターを回す方法