「インバータ」のご紹介

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「インバータ」のご紹介

1.拡大するインバータ需要

インバータは、モータと接続し、任意の周波数を出力することで、モータを可変速する装置です。モータの回転速度を自由に変えられるため、ファンの風量調整やコンベアの速度調整などに多く使用されていますが、制御技術の進展やネットワークへの対応に伴い、高付加価値の機械・装置等、適用範囲が広がっています。

今後も更なる生産効率アップ・省エネルギー化に加え、予防保全や異常予兆検知の進化によりユーザのダウンタイム削減へ貢献していきます。

市場規模推移(台数)
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市場規模推移(金額)
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容量別構成比
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2.省エネ効果

ファン、ポンプを商用電源で駆動させる場合、モータが定速運転するためファンの風量やポンプの流量をダンパやバルブにより調整する方式が一般的に採用されています。
この方式では、風量や流量を下げてもダンパやバルブの損失が発生し、モータの軸動力の低減が期待できません。
一方、風量や流量は回転速度に比例するため、インバータによりモータの回転速度を変化させることで風量や流量を調整する方式を採用すると、使用する電力は、回転数の3 乗に比例して減少するため大幅な省エネルギーを図ることができます。
インバータは、一般的に新設、既設(*)のどちらのモータにも接続可能ですので、回転速度制御に最適な可変速装置といえます。
注(*):既設には、適用条件があるので、詳細はモータメーカまでお問合せください。

省エネ計算の例

インバータを使うと省エネルギーになるの?
  • ファン・ポンプを、ダンパ(バルブ)制御またはインバータ制御で運転する場合、風力(流量)と、所要電力の関係は、図1 のようになっています。
  • 風量(流量)が、少ない場合は、特に省エネルギー効果が大きくなります。

図1 省エネ効果

図1 省エネ効果

ダンパ(バルブ)制御をインバータ制御にした場合の省エネ効果

事務所空調設備での省エネルギー効果は以下となります。
なお、運転パターンを風量:85%:2000 時間、60%:2000 時間の合計4000時間/年、電動機出力:15kW×1 台と仮定します。

  • ダンパ(バルブ)制御の場合の所要動力量:(15kW×91%×2000 時間:風量85%)+(15kW×76%×2000 時間:風量60%)=50,100kWh/年
  • インバータ使用の場合の所要電力量:(15kW×66%×2000 時間:風量85%)+(15kW×25%×2000 時間:風量60%)=27,300kWh/年
  • 年間の省エネルギー効果:50.100kWh/年-27,300kWh/年=22,800kWh/年
  • 電力料金を16 円kWh とした時の節約効果:22,800kWh/年×16 円/kWh=36.5 万円
  • インバータ代金を45 万円とした時の設備償却年数は、45 万円/36.5 万円=1.2 年
  • 年間のCO2 排出係数※ を0.463kg-CO2/kWh とすると22,800kwh/ 年×0.463kg-CO2/kWh= 10,556kg-CO2/年
    ※ CO2 排出実績(速報値) 2019 年9 月 電気事業低炭素社会協議会
  • 年間のCO2削減効果は約45%

年間電力料金

注:個々の使用条件によって異なります。
図2 ダンパ(バルブ)制御とインバータ制御の比較

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3.インバータの使用状況

汎用インバータ(75kW以下)業種別の出荷実績(国内金額)(2018年度)
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インバータの装着率
2018年度「モータ・インバータに関するユーザ調査」報告書 事業所数 モータ
台数(A)
インバータ
台数(B)
装着率
(B/A)%
全体 216 4,577,905 1,249,927 27.3%
ファン、ポンプ及び圧縮機 13 379,794 74,566 19.6%

インバータの用途は、ますます拡がっていますが、インバータの装着率は、まだまだ低いため、インバータが活躍できる設備に適用することで、より一層の省エネ化を図ることができます。
また、ファン、ポンプ及び圧縮機でのインバータ使用比率が一番大きいため、この用途へのインバータの装着率を向上させることで大きな効果が期待できます。

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4.インバータの用途

分類 用途例
建設・土木機械 ・トンネル掘進機・舗装機械
食料品加工機械及び包装機械 ・製パン機・製菓機・製茶機・製麺機・精米麦機・製粉機・ミキサー・スライサー・選果機・内装機・荷造り機・外装機・ラップ包装機
搬送機械 ・クレーン・コンベア・リフト・エレベータ・エスカレータ・駐車装置・自動立体倉庫装置
繊維機械 ・紡糸機・仮より機・延伸ねん糸機・織機・編機・染色仕上機
化学プラント ・ミキサー・押出機・遠心分離機・塗装機破砕機・カレンダ・成形機
木材加工機械 ・製材機・木工機・合板機
金属工作機械 ・旋盤-ボール盤・フライス盤・研削盤・歯切り盤-研磨盤・中ぐり盤
金属加工機械 ・各種ロール・製管機・レベラー・せん断機・伸線機・機械プレス・巻出巻取機
ファン、ポンプ及び圧縮機 ・空調システム・各種ファン・ブロア・上・下水道用給配水ポンプシステム・タンクレス給配水システム・クリーンルーム・冷凍機応用製品・乾燥機
製紙・印刷機械 ・抄紙機・ワインダ・スリッタ・製本機・枚葉印刷機・オフセット印刷機・新聞輪転機
半導体製造装置 ・半導体・液晶製造装置・電子部品製造組立機械
健康-医療・福祉介護関連機器 ・階段昇降装置・介護用ベット・泡風呂・ルームランナー・レントゲン装置・CTスキャナー
生活関連機器 ・業務用洗濯機・業務用アイロン台・洗車機・生ゴミ処理機・集塵機・ホームエレベータ・安全ドア
インバータ応用製品 ・太陽光発電・風力発電・燃料電池・電気自動車など

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5.技術的取組み

  1. 省エネ・高効率化
    インバータで回転数制御することで、省エネを実現できることは知られておりますが、さらなる省エネを目指して、下記の技術に取り組んでおります。
    • ①インバータ自体の高効率化
      低損失化したパワーデバイスの採用により、インバータ自体を高効率化しています。
    • ②高効率モータへの対応
      電気部の合理的な設計や低損失の材料の使用、また永久磁石の使用等により、モータ自体の高効率化を図っています。(鉄損、銅損などのモータの損失を減らすことで、高効率化を図っています。)
      インバータにおいても磁石モータ駆動技術などモータ自体の高効率化に対応した制御を実現しています。
    • ③ドライブシステムにおける省工ネ化
      「自動省エネモード・機能」等の搭載により、インバータとモータとの組み合わせ時に、さらなる省エネ・高効率ドライブを提供できるよう機能・性能向上を図っています。
  2. 電源高調波の低減
    リアクトルの高性能化・小形化に加えて、正弦波PWM コンバータを用意しています。
    通商産業省(現経済産業省)より通知された高調波抑制対策ガイドラインの概要とインバータの高調波抑制の原理及びその対策方法について説明したパンフレット「汎用インバータの高調波抑制対策について」を発行しています。また、高調波抑制対策技術指針(JEAG 9702)の改正概要については、「汎用インバータ及びサーボアンプの高調波抑制対策について」のページを参照ください。
  3. 高周波ノイズの低減対策
    パワーデバイスの低ノイズ化に取り組んでいます。また、インバータのノイズトラブルを防止するためのパンフレット「インバータの上手な使い方(電気ノイズ予防対策について)」を発行しています。
  4. 駆動特性の改善
    速度センサレスベクトル制御やオートチューニング機能の性能向上によって、速い応答のトルク発生、高い速度の安定性が得られるようになりました。
  5. 400 V 級インバータのサージ対策
    400 V 級インバータで汎用モータを駆動する場合のサージ対策に関するパンフレット「400 V 級インバータで汎用モータを駆動する場合の絶縁への影響について」を発行しています。
  6. IoT でのインバータ活用
    ネットワーク技術を活用し、IT (情報技術)及びOT(運用技術) のプラットフォームを用いて,生産性向上、保守やエネルギー管理などにインバータがもつデータを活かす動きがあります。
    インバータを含む各機器のデータを活用しやすくするための標準化検討が進みつつあります。

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6.インバータ適用時の代表的な注意事項とその対策

インバータ適用時の代表的な注意事項とその対策を以下に記載します。
詳細については、下表の「参考資料」を確認ください。

インバータ適用時の代表的な注意事項とその対策
注意事項 現象 主な対策 参考資料
モータ騒音 インバータ素子のスイッチングに起因して電磁騒音が発生する。 ●インバータのキャリア周波数変更 JEM-TR169
漏れ電流 インバータ素子の高速スイッチングと、電線、モータ、大地間の漏洩キャパシタンスにより漏れ電流が発生し、外部に接続した漏電遮断器の誤動作を誘発する。 ●インバータのキャリア周波数低減
●漏電遮断器の設定を上げる、または高周波対策済みの漏電遮断器を採用する
JEM-TR169
ノイズ 上記漏れ電流の変化がノイズとなり、周辺機器に影響を与える。 ●配線、接地の改善
●インバータのキャリア周波数低減
●ノイズフィルタ等の設置
インバータの上手な使い方(電気ノイズ予防対策について)
高調波 インバータの整流回路により発生する高調波電流が周辺機器に影響を与える。 ●ACリアクトル、DCリアクトル等の設置
●12相整流方式の採用
●PWMコンバータ等の採用
汎用インバータ及びサーボアンプの高調波抑制対策について
汎用インバータの高調波抑制対策について
振動 インバータで変速を行うことにより、機器の固有振動数と共振し振動が発生する場合がある。 ●周波数設定を変更するかインバータの機能を使用し、共振する周波数帯を避ける。
●機械共振を緩和する。
JEM-TR169
サージ電圧によるモータの絶縁劣化 インバータ素子のスイッチングにより発生するサージ電圧が出力電圧に重畳され、モータの絶縁に影響を与える。 ●絶縁強化モータを使用
●インバータの出力側にACリアクトルやフィルタを設置
400V級インバータで汎用モータを駆動する場合の絶縁への影響について
JEM-TR169
モータの軸受電食 インバータ駆動時のコモンモード電圧に起因する軸電圧により、グリースの状態や接地状態等とあいまって軸受電食に至る場合がある。 ●絶縁カップリング採用
●適切なアース接地
●インバータとモータの間に零相リアクトルを設置(インバータの入力側に容量性フィルタを設置している場合は軸電圧が発生しやすい状況にあり、本対策が有効)
誘導電動機をインバータ駆動する場合の軸受電食について

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インバータ関連資料

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インバータ業務専門委員会 参加メーカ (五十音順)

サンケン電気株式会社 https://www.products.sanken-ele.co.jp/prod/powersp/invert/index.html
住友重機械工業株式会社 http://cyclo.shi.co.jp/product/select-category/inveter.html?selection=category
東芝シュネデール・インバータ株式会社 http://www.inverter.co.jp
東洋電機製造株式会社 https://www.toyodenki.co.jp/products/industrial/lineup/
株式会社 日立産機システム https://www.hitachi-ies.co.jp/products/inv/index.html
富士電機株式会社 https://www.fujielectric.co.jp/products/inverter/
三菱電機株式会社 https://www.mitsubishielectric.co.jp/fa/products/drv/inv/index.html
株式会社 明電舎 http://www.meidensha.co.jp/products/industry/prod_01/index.html
株式会社 安川電機 http://www.e-mechatronics.com/product/inverter/index.html