APDahlen Applications Engineer
可変周波数ドライブ（VFD）は、三相誘導モータの方向、速度、トルク、さらに加速度などのさまざまな動的パラメータを制御するために使用されます。内部には、ほとんどのVFDはAC-DCコンバータ（整流器）とDC-ACコンバータ（インバータ）を含む2つのステージを備えています。入力段と出力段の間には、図1に示す代表的なChemi-ConのERHB701LGC122MDC5Uデバイスのような1つ以上のDCリンクコンデンサがあります。リンクコンデンサは高性能、小型、低コストを理由に、通常はアルミ電解タイプが選ばれています。リンクコンデンサは、VFDの出力インバータにフィルタリングとエネルギーの即時供給を行います。
この技術概要では、VFDのリンクコンデンサのケアと給電について説明します。これは、長時間の保管によりコンデンサが劣化する可能性があるため、非常に重要な考慮事項です。適切な注意を払わない場合、新しく取り付けたVFDのコンデンサが突然分解する事態が発生する可能性があります。コンデンサは勢いよく内容物を放出し、多くの場合、VFD内部に大きな損傷を与えます。
図1： VFDのDCリンク機能に一般的に使用される大型アルミコンデンサのイメージ
技術的なヒント： コンデンサのリフォーミング（修復）の方法については、VFDのマニュアルを参照してください。手順はVFDに電源を投入し数時間待つだけという簡単な場合もあります。また、外部可変DC電源を必要とする複雑な手順となることもあり、その場合修復時間は最大10時間に及びます。
アルミ電解コンデンサの構造
コンデンサは、誘電体で隔てられた2枚の金属板で構成されていることを思い出してください。考慮すべき設計上の特性には、次のような競合するものがいくつかあります。
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高電圧に対して、厚い誘電体が必要
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高静電容量には、薄い誘電体と大きな表面積が必要
アルミニウム電解コンデンサは、アノード（正極プレート）に薄い酸化皮膜を使用することで、このような技術的制約のバランスをとっています。この酸化皮膜は絶縁体として機能し、コンデンサの欠かせない構成要素となっています。
酸化皮膜の問題
アルミ電解コンデンサの酸化皮膜は、DC電圧が印加されると自己修復されます。そのため、動作中のVFDには何の心配もありません。ただし、コンデンサが保管されている場合、酸化皮膜は劣化します。
ケーススタディとして、稼働中のVFDが数台あり、部品ケージの中にスペアが数台あるプラントを考えてみましょう。スペアのVFDに含まれるコンデンサは劣化する、と理解することが重要です。コンデンサは1、2年すると酸化皮膜が分解して状態が悪くなります。午前3時のサービスコールに予備のVFDを取り付けた場合、高電圧が薄い酸化皮膜を突き破り、コンデンサが急速に過熱するため、「準備万端」のVFDの中で爆発が発生することが予想されます。 運がよければ、VFD内部の問題はコンデンサだけかもしれません。多くの場合、急速な分解によってVFD内部に導電性のホイル破片が飛び散り、重要な部品がショートしてしまいます。
ソリューション
長期間保管されているアルミ電解コンデンサは、直流電圧を印加して修復する必要があります。このフォーミング電圧は、劣化した酸化皮膜に過大な電流が流れないよう、ゆっくりと制御しながら印加する必要があります。回路を動作させる高電圧は、酸化皮膜が回復してからのみ印加することができます。
例として、SiemensのSINAMICS G120コンバータを考えてみましょう。コンデンサの修復手順を図2に示します。ここでは、3年以上保管されていたVFDには8時間の修復手順が必要であることがわかります。本書によれば、午前3時のVFD機器の故障は、正午頃に復旧することになります。
技術的なヒント： コンデンサの修復手順を短時間で済ませることを考えがちです。そうするとコンデンサがすぐに破裂したり、損傷してVFDの寿命が短くなることにつながります。
図2： Siemens SINAMICS G120コンバータのDCリンクコンデンサ修復スケジュール。3年以上保管されていたVFDには、8時間の修復手順が必要です。
おわりに
このトピックは、直感的に理解しにくいように思われます。
結局のところ、VFDは、大型ACモータを駆動する際の過酷な環境に耐えるように構築された、堅牢で強力なギアです。それに対して保管期限のような単純なことは些細なように思えます。要するに重要なリンクコンデンサは、1世紀近く前から、エレクトロニクスに使用されていた初代のアルミ電解コンデンサの利点と欠点をすべて備えています。これが現実です。
VFDのテクニカルマニュアルに記載されている修復の指示を必ず確認してください。また、市販のスペアを定期的に改良するか、長時間のダウンタイムに対応できるように準備してください。おそらく、年間予防保守スケジュールにスペアを追加する必要があるでしょう。
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ご健闘をお祈りします。
APDahlen
著者について
Aaron Dahlen 氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間（一部、軍での経験を織り交ぜて）教鞭をとったことによってさらに強化されました。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチやエレクトロニクスとオートメーションに関する啓蒙記事の執筆を楽しんでいます。
注目すべき経験
Dahlen氏は、DigiKey TechForumに積極的に貢献しています。この記事を書いている時点で、彼は150以上のユニークな記事を作成し、さらにTechForumへ500にものぼる投稿を提供しています。Dahlen氏は、マイクロコントローラ、VerilogによるFPGAプログラミング、膨大な産業用制御に関する研究など、さまざまなトピックに関する見識を共有しています。
Dahlenの産業制御に関する記事のコレクションは、このインデックスページで見ることができます。