「コンベヤの速度を変えたい」
「ファンを必要な風量に合わせて回したい」
このようなモーターの速度調整に使われるのが、インバータです。
この記事では、工場や設備で使われるモーター制御用インバータを中心に、回転速度を変える仕組み、加速・減速の意味、電磁接触器やサーボとの違いを解説します。
インバータとは？モーターの速度を調整する装置
モーター制御用のインバータは、出力する交流の周波数や電圧を制御して、対応するモーターの回転速度などを調整する装置です。
代表的な用途には、コンベヤ、ファン、ポンプなどがあります。運転条件に合わせて速度を変えたり、ゆっくり加速・減速させたりできます。
「インバータ」という言葉の範囲
本来は直流を交流に変換する回路を指します。工場では、整流回路などを含むモーター駆動装置全体を「インバータ」と呼ぶことが一般的です。この記事も、その意味で説明します。
交流を直流にして、必要な交流をつくる
一般的なモーター制御用インバータは、入力された交流をいったん直流に変換し、その直流からモーターを駆動する交流をつくります。
機器の仕様に合う電圧・相数の電源を受け取ります。
整流回路と平滑用コンデンサなどを使って、直流の中間回路をつくります。
半導体を高速に切り替え、必要な周波数・電圧の交流出力をつくります。
設定や運転指令に応じて、対応するモーターを動かします。
図：一般的な構成の概念図です。実際の電源・主回路・制御配線を示す結線図ではありません。
一般的なPWM方式の出力電圧は、商用電源のような滑らかな正弦波そのものではなく、高速に切り替わるパルス状の波形です。その基本波成分などを制御してモーターを駆動します。
交流と直流の基本は、AC・DCの違いを解説した記事も参考にしてください。
周波数を変えると、回転速度が変わる理由
交流モーターでは、周波数が回転速度に関係します。例えば誘導モーターでは、回転する磁界の速度である同期速度が、周波数と極数によって決まります。
4極モーターの同期速度を計算すると、次のようになります。
図：回転磁界の速度の計算例です。min⁻¹は毎分の回転数を表し、rpmと同じ意味で使われます。各周波数での連続運転が可能かは、別途確認が必要です。
通常の誘導モーターの実際の回転速度は、すべりによって同期速度より少し低くなります。負荷や制御方式によっても変わるため、「50Hzなら実際の軸も必ず1,500回転」とは限りません。
周波数の意味は、50Hz・60Hzの違いを解説した記事で紹介しています。
周波数だけでなく、電圧も合わせて制御する
代表的な制御方法に、周波数に対する電圧の比率を考えるV/F制御があります。モーターの磁束を適切に保つため、運転範囲に応じて電圧も調整します。
ほかにも、トルクや速度の制御性能を高めるベクトル制御などがあります。対応する制御方式や調整項目は、インバータとモーターの組み合わせによって異なります。
加速時間・減速時間を設定する意味
インバータでは、周波数を急に切り替えるだけでなく、時間をかけて変化させられます。
- 加速時間：周波数を上げて、徐々に速度を上げるための設定。
- 減速時間：周波数を下げて、徐々に速度を下げるための設定。
例えば、コンベヤをゆっくり立ち上げることで、搬送物の急な動きを抑えられる場合があります。ただし、実際の効果は負荷や機械構造によって変わります。
設定した秒数が、そのまま実際の始動・停止時間になるとは限りません。
加減速時間の基準周波数や定義は機種によって異なります。また、保護動作や負荷条件によって、実際の加減速時間が延びることがあります。
減速を短くしすぎると、過電圧になることがある
回転している機械を減速するとき、モーターが発電機のように働き、エネルギーがインバータ側へ戻ることがあります。これを回生といいます。
戻ってくるエネルギーを処理しきれないと、内部の直流電圧が上がり、過電圧保護で停止する場合があります。減速時間や制動方式は、機械の慣性や運転条件に合わせて検討します。
電磁接触器・インバータ・サーボの違い
| 機器・システム | 主な役割 | 使われ方の例 |
|---|---|---|
| 電磁接触器 | 電力回路を接点で開閉する | モーターへの給電の入切など |
| インバータ | 出力周波数・電圧などを制御する | コンベヤ・ファン・ポンプの速度調整 |
| サーボシステム | フィードバックを利用し、位置・速度・トルクを制御する | 位置決め・同期運転など |
これは代表的な使い分けです。インバータにも速度フィードバックや位置制御に対応する機種があり、単純に「インバータは速度だけ、サーボは位置だけ」と分けることはできません。
選定では、必要な精度、応答性、速度範囲、負荷、モーターとの組み合わせを確認します。
接点で電力回路を開閉する仕組みは、電磁接触器の基本を解説した記事も参考になります。
PLCとはどう組み合わせる？
PLCは運転条件や順序を判断し、インバータは受け取った指令に応じてモーターを駆動します。
- 運転・停止：接点信号や通信などで指令する。
- 速度の指定：多段速信号、アナログ信号、通信などで行う。
- 状態の確認：運転中・異常などの信号をPLCへ戻す。
利用できる信号や通信方式は、機種によって異なります。操作パネルからの運転と外部端子からの運転など、どこから指令を受ける設定かも重要です。
インバータが動かないときは、機器の異常だけでなく、運転指令・周波数指令・運転モードなどを分けて確認します。
使う前に押さえたい注意点
すべてのモーターを自由に速度変更できるわけではない
一般的な三相モーター用インバータを、家庭用の単相モーターや任意の機器にそのまま使うことはできません。電源側の相数と出力側の相数も区別し、対応モーター、電圧、電流、容量を確認します。
単相入力に対応する製品でも、出力は三相という構成があります。「単相入力だから、単相モーター用」とは判断できません。
低速でも、モーターが熱くなることがある
軸と一緒に冷却ファンが回るモーターでは、低速時に冷却能力が低下します。必要なトルクによっては低速でも大きな電流が流れるため、過熱への配慮が必要です。
低速での連続運転や定格周波数を超える運転は、モーターと機械の許容範囲を確認します。最高周波数を上げれば、そのまま安全に高速化できるわけではありません。
通常の運転・停止は、指定された指令方法で行う
入力側の電磁接触器を頻繁に開閉して、通常の運転・停止を繰り返す使い方は避けます。外部端子、操作パネル、通信など、メーカー指定の方法を使います。
出力側の接触器の開閉にも制限があります。回路構成や開閉条件を確認し、運転中に自己判断で切り替えないでください。
運転指令OFFと、電源の遮断は別です。
停止中でも内部や端子に危険な電圧が残る場合があります。電源を切った後も、指定の待ち時間と無電圧確認などの手順が必要です。配線・点検は取扱説明書と設備の安全手順に従って行います。
「インバータ」なら、すべて同じ用途？
ポータブル電源のAC出力や、太陽光発電の電力変換にもインバータ技術が使われます。ただし、これらとモーター制御用インバータは、目的や出力仕様が異なります。
モーター用は速度などの制御、家庭用機器向けの電源では所定の電圧・周波数を供給することなどが目的です。同じ名称でも、代わりに使えるとは限りません。
まとめ
- モーター用インバータは、出力周波数・電圧などを制御する装置。
- 一般的な構成では、交流を直流に変換してから、制御された交流をつくる。
- 周波数は回転速度に関係するが、誘導モーターの実回転速度にはすべりも関係する。
- 加減速の設定は、機械の負荷や回生エネルギーに合わせて検討する。
- 対応モーター、冷却、保護機能、安全手順を確認して使う。
まずは、「電磁接触器で給電を入切する」と「インバータでモーターの速度を調整する」という役割の違いを押さえましょう。そこから運転指令、周波数指令、加減速設定を学ぶと、実際の制御へつながります。
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