VFDの3つのタイプとは？

はじめに - 電気システムにおける「VFD」とは？

可変周波数ドライブ (VFD)本質的に電力周波数変換器：それは交流電力を直流電力に変換し、その後交流電力に戻し、可変周波数/電圧出力（範囲0-650Hz）に電源を再形成し、それによってVFDモータ制御無段階速度制御を実現します。可変周波数ドライブは、可変速度ドライブの種類の電気カテゴリに属するこのタイプの半導体調節システム（また、調整可能な周波数ドライブとして知られている）を指します。その中心的価値はモーター起動の影響の流れの80%を除去することにあり、産業負荷が正確に操作上の条件を一致させることを可能にする。.

タイプ1 - 電圧源インバータ(VSI) VFD

動作原理

現代の可変周波数ドライブ(VFD)のコア・トポロジーの1つで、その本質は、整流された直流電力(コンデンサによって安定した電圧に維持される)をPWM VFD技術によって高周波パルス・シーケンスに変換することにあります。可変周波数ドライブ・コントローラは、パルス幅と間隔の比率を調整して、必要な電圧(0-480V)と周波数(0-650Hz)を正弦波と等価な形で動的に合成し、それによってVFDモーター制御のシームレスな連続制御を実現します。.

メリット

• システム効率>92%（Si-IGBTインバーターモジュールに基づく）
• 出力波形歪率＜5%（IEEE519規格準拠）
• VFDの速度制御精度は最大±0.5%（油圧速度制御は±5%）
• 標準的な380V三相モーターに改造なしで対応

デメリット

• グリッド電圧の許容範囲は±10%のみ（この範囲を超えると低電圧保護が作動する可能性がある）
• 高周波PWMはモーターベアリング電流のリスクを引き起こす可能性がある（コモンモードフィルターの抑制が必要）
• 入力電流高調波THDi > 35% (外付け12%入力リアクトルが必要)

アプリケーション・シナリオ

可変電圧可変周波数インバーターの代表格として、以下の分野を席巻している：

• HVACシステム:チルド ウォーターポンプ 周波数50Hz～35Hz、消費電力↓42%
• ​遠心ファン:フルオープンダンパー＋可変周波数回転数制御、総合省エネ率≧28%
• ​給水ポンプ場:定圧モードでの流量適応制御（0-100Hz応答）

タイプ2 - 電流源インバータ(CSI) VFD​

動作原理

CSI可変周波数ドライブは、電圧源VFDに類似した方法で動作し、エネルギーの川を導く舵取りのように機能する。整流器側は、コンデンサに代わって誘導エネルギー貯蔵を使用し、（定電圧ではなく）安定した直流電源を確立し、サイリスタスイッチング技術によって電流の流れを制御する。.
出力される矩形電流波形は、（PWMパルス幅ではなく）振幅の点でVFD制御システムによって正確に調整されるため、ボールミルのような高慣性負荷の始動要件に特に適しています。.

メリット

• 4象限運転に対応（100%のエネルギーをグリッドにフィードバック）
• 200%の電流サージ（冶金アーク炉の瞬間的な変動）に耐える
• 自然短絡抵抗（インダクタがdi/dtを抑制する）
• 出力範囲：0.5～50 MW（VSIの0.75 MW制限をはるかに上回る）

デメリット

• 40%はVSIより体積が大きい（インダクタンス部品がスペースを占める）
• 可変周波数駆動モーター制御用の専用モーターが必要（通常のモーターは磁気飽和しやすい）
• 出力高調波 > 25%（12パルス整流器の必須構成）
• 最低速度制限15Hz（VSIの5Hzより低い）

アプリケーション・シナリオ

大規模重工業の基幹電源に最適：

• ​鉱山用コンプレッサー:2000kW級スクリューコンプレッサー用回生ブレーキ
• ​冶金圧延工場:トルク脈動抑制（変動幅＜3%）
• ​セメントチューブミル:始動トルク：定格の300%まで

タイプ3 - パルス幅変調（PWM）VFD

動作原理

パルス幅変調VFDは、85%以上の市場シェアを持つ主流のソリューションであり、パワーエレクトロニクスの分野におけるモザイクアーティストのようなものです。IGBTモジュールを使用してDCバス電圧を3～15kHzの超高速でスイッチングし、正確で制御可能な幅を持つマイクロ秒レベルのパルスシーケンスを生成します。可変周波数ドライブインバーターアルゴリズムは、出力波形を限りなく正弦曲線（THD < 5%）に近づけるためにパルス幅の組み合わせ戦略をリアルタイムで計算し、モータトルク/速度のシームレスな調整を実現します。.

メリット

• pwm vfd 最適出力波形品質（CSI 矩形波／VSI ステップ波との比較）
• vfd速度制御 精度最大±0.1%(ベクトル制御モード)
• モーター動作音 ≤65 dB（キャリア周波数調整可能）
• 最大2.8kVA/kgのコンパクトな出力密度（CSIの4倍）

デメリット

• 3-150の高周波高調波を発生（THDi <8%を抑えるために12%入力リアクターが必要）
• 複雑な電磁両立性設計（RFIフィルターの設置が必須）
• dv/dt 応力がモーター絶縁の老化を加速 (＞5 kV/μs)

アプリケーション・シナリオ

精密スピードコントロールの絶対的リーダー：

• ビルディング・オートメーション:エレベーターベクトルドライブフロアレベリング精度 ±3 mm
• ​食品包装ライン:サーボ同期制御応答時間 ＜2ms
• ​CNC工作機械:主軸回転数 0～6000rpm 無段階切替

3種類のVFDの比較表

アプリケーションに適したVFDタイプの選び方

選択基準は、負荷特性と電力要件に基づいています：可変トルク負荷ファン/パンプス)はPWMタイプを優先すべきである。 HVAC VFD (50Hz→40Hzの省エネ＞35%、HVACドライブの標準）、そのVFDドライブは産業用標準三相VFDシステム（アプリケーションの380V三相カバー＞90%）とシームレスに統合します。クラッシャーなどの衝撃負荷にはCSIトポロジー（300%の電流サージに2秒間耐える能力）が必要です。単相220Vのレガシー機器では、単相モーター用VFDは3.7kWまでしか利用できません（仮想三相モジュールを含める必要があります）。.VFDの設置 は以下の要件を満たさなければならない：1) トランス容量＞VFD電力×1.25(高調波THDi＜8%); 2) キャビネット冷却クリアランス≧30cm(熱損失3%×電力); 3) VFDシステムにはEMCフィルター(伝導妨害≦55dBμV)を装備すること。について ハイダイナミック・レスポンス・アプリケーション (CNCスピンドルなど）には、SiC-IGBT PWMベクトル制御を推奨します。重負荷のスタート／ストップ条件では、サイリスタCSI＋永久磁石モータ（耐熱温度150℃以下のNdFeB材）の組み合わせで最大トルクを出すことを推奨します。.

結論 - VFDの種類と現代のオートメーションにおける役割

3種類の可変周波数ドライブ(VFD)アーキテクチャーは、それぞれ異なる機能を果たす：VSIは電圧精度を利用して遠心ポンプを制御し、CSIは電流剛性を利用して圧延機を管理し、PWMは高周波パルスを利用してCNC精度を向上させる。.

誤った選択は、二重のコストにつながる可能性がある。可変周波数ドライブ・コンポーネントのミスマッチ（例えば、クラッシャーにVSIを使用）は、システム効率を25%低下させる可能性がある。逆に、正確に配置されたVFDドライブ・パネル（EMCフィルタリングおよび冷却システムと統合）は、HVAC機器を削減する可能性がある メンテナンス VSDとVFDの基本的な違いについて：機械式可変速ドライブ（VSD）は手動ギアボックスのようなもので、VFD制御はCVT無段変速機のようなものです。工場内のすべてのモーターが互換性のあるVFDによって駆動されると、産業用ネットワークはリアルタイムで応答するインテリジェントな有機体に変わります。.