インバータと漏洩電流の関係性の備忘録

インバータは、直流 (DC) 電力を交流 (AC) 電力に変換する電気機器のこと。
この変換によって、モーターの回転速度やポンプの流量などを自由に制御が可能となる。

インバータの仕組み

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インバータの基本的な仕組みは、半導体スイッチ（IGBTやMOSFETなど）を高速にオン/オフすることで
直流電圧をパルス状に切り刻み、これをPWM (Pulse Width Modulation)制御によって交流の波形を作り出すこと。

• 整流部: 外部から入ってきた交流電力をダイオードなどで直流に変換する。
• 平滑部: 整流された脈流をコンデンサで滑らかな直流にする。
• インバータ部: 平滑された直流電力を、スイッチング素子を使って所望の周波数と電圧の交流電力に変換する。

インバータの詳細な仕組み

下記図のようにインバータ装置は前段部と後段部に分かれており
交流から直流に変換する前段部の「コンバータ回路」と
直流から交流に変換する後段部の「インバータ回路」によって構成されている。

広い意味でのインバータ装置とは
コンバータ回路とインバータ回路がセットで使われて「交流→交流」への変換になるのに対し
個別のインバータは回路や機能を示しているので、「直流→交流」の変換になる。
このように、とらえ方により「インバータ」の意味が異なってくる。

インバータと漏洩電流の関係性

インバータは高速スイッチングを行う半導体素子を使用しているので
商用電源に比べてケーブルと大地間や電動機の静電容量を通して
高調波の漏えい電流が流れやすくなる。
この漏えい電流により周辺機器が影響を受けることがある。

インバータ使用時の漏洩電流ルート

①ノイズフィルタと大地間の静電容量によるもの
②インバータと大地間の静電容量によるもの
③インバータと電動機間配線と大地間の静電容量によるもの
④別系統のインバータと電動機間配線との静電容量によるもの
⑤電動機の共通接地ラインからの回り込みによるもの
⑥大地間の静電容量を通しての別系統への回り込みによるもの

がある。

これらの漏えい電流の流れるルートから
次のような影響が発生することがある。

• 自系統または別系統の漏電遮断器(ELCB)が不要動作する。
• 別系統の電子機器の出力にノイズが出る。
• インバータと電動機間に設置した外部サーマルリレーが定格電流以下で動作する。

漏えい電流対策

① 漏電遮断器(ELCB)の不要動作への対策

• インバータのPWMキャリア周波数の設定を小さくする。
  
• 高周波対策付きのELCBを使用する
  ※最近のELCBは高周波対策付きが一般的
  
• 1つのELCBに複数のインバータが接続されるような場合には
  ELCBの感度電流を大きくするか、ELCBに接続されるインバータの接続台数を減らす。

② ほかの電子機器へのノイズ対策

影響を受けている電子機器の接地をインバータの接地経路と別にする。

• インバータのPWMキャリア周波数の設定を小さくする。

③ 外部サーマルリレーの誤動作への対策

• インバータの電子サーマル機能を使用し
  外部サーマルリレーを取り外す。
  ※1台のインバータで複数台の電動機を運転する場合には適用できない。
  
• インバータのPWMキャリア周波数の設定を小さくする。

④ 配線と接地方法の対策

• 接地線はできるだけ太い線を使用する。
  
• インバータと他の機器の接地配線は
  それぞれ専用接地とするか接地点までは個別に設置する。
  
• 主回路配線は金属管配線として、金属管は接地（シールド）する。
  
• インバータと電動機間の配線長はできるだけ短くする。

参考資料

新電気　2023年11月号現場の疑問解決塾　「インバータ」より画像引用