可変速ドライブ（VSD）用モータケーブルの最適選定ガイド

PWM可変速ドライブ用のモータケーブルには、予期せぬ影響を及ぼす可能性があります。この記事では、VSD用モータケーブルの選定と設置において必要となる特別な考慮事項について解説します。

定格電流

VSDを使用しても、定常状態での負荷時モータ電流は実質的に変わりません。ドライブのモータ電流保護機能は（ULなどにより）過負荷時のモータおよびケーブルの熱保護用として認定されています。したがって、モータケーブルの基本的な定格電流は、モータを直結（商用電源直接投入）した場合と同じです。

ケーブルサイズと電圧降下－ケーブルサイズ選定規格

電気工事業者が使用するケーブルサイズ選定規格（ケーブル設計ソフトウェアを含む）には、モータ用の特別な規定が設けられていることがよくあります。これらは、商用電源への直接接続で始動する標準的な産業用誘導モータ（「直入始動」DOL始動）を基準としています。長距離配線の場合、始動時のケーブルのインダクタンスと抵抗による電圧降下を抑制するため、連続定格負荷電流から決まるサイズよりも太いケーブルが必要になることがあります。一般的な産業用誘導モータのDOL始動電流は、定格値の約5倍に達します。これは、運転速度に達するまでの高いスリップが原因です。また、始動時の出力トルクは特に高くありません（図1参照）。ケーブルの過大な電圧降下により、低速で負荷トルクが持続する場合、モータが始動できなくなる可能性があります。

図1：誘導モータの直入始動時の電流とトルク

一方、可変速ドライブを使用する場合、モータのスリップは常に低く、始動時の電流は短時間定格（用途により110%または150%）を超えることはありません。また、ドライブをモータおよびそのケーブルと合わせて調整することで、ケーブルの電圧降下を補償できます。ベース速度以下では、ドライブの能力とモータで必要な作業磁束密度を達成するために必要な電圧の間に電圧余裕があるためです。したがって、VSDを使用する場合、始動時の電圧降下を抑えるためにケーブルをオーバーサイズ化する必要はありません。長距離モータケーブル配線の設置では、この事実によりケーブルコストを大幅に削減できます。設置計画でケーブルサイズ選定ソフトウェアを使用する際、VSD付きモータを単純な抵抗負荷として設定し、モータとして設定しないことで、始動電流に対する不必要な余裕を見込むことを防止できます。

ケーブルの種類－シールド（遮蔽）

VSDの出力は、パルス幅変調（PWM）を用いて、モータを制御するための可変電圧・周波数電源を生成します。パルスの立ち上がり/立ち下がり時間は約100ナノ秒と高速です。したがって、モータおよびモータケーブル内の電圧の周波数成分は、高い無線周波数帯域まで広がります。一般的に、約10MHzまで非常に高いレベル、約50MHzまでかなりのレベルが存在します。電磁妨害（EMI）を防止するため、ケーブルはシールドされ、電磁エネルギーの放射を抑制する必要があります。接地されたシールドは電界放射を防ぎ、モータ側とインバータ側の両端で、自己インダクタンスを最小限に抑えた接続でシールドを正しく接続することで、磁界放射を防止します。両方が必要です。

不適切に管理されたモータケーブルからの放射は、無線通信や、これらの周波数帯域の擾乱に敏感な近接したセンサやデータ回路などの電子機器に影響を与える可能性があります。ドライブ用EMC規格IEC 61800-3（EN 61800-3）では、モータケーブルのシールドが義務付けられています。そうでない場合、ドライブ出力を非常に高価で大型の無線周波数フィルタ装置を介して接続しなければなりません。

実際の試験では、ケーブル全長にわたって良好な連続的なカバレッジと継続性があれば、スチール製および銅製のケーブルシールドが同等に効果的であることが示されています。これにより、無線周波数電流がシールドを流れ、電力芯線のコモンモード電流による磁界を打ち消します（図2参照）。

図2：両端接続されたシールドケーブルによる外部磁界の打ち消し

接地（アース）

モータの接地接続は、主にモータ内の接地故障が発生した際の安全性を確保するためのものです。接地接続は、安全装置（ヒューズまたはブレーカ）が電流を遮断するまで故障電流を流し、モータボディの接触電圧[1]が安全な範囲内に留まることを保証しなければなりません。

通常、VSDは接地故障電流を、ヒューズやブレーカよりもはるかに低いレベルと短い持続時間に制限します。しかし、これは複雑な半導体デバイスと回路に依存しており、それらが故障する可能性があります。安全上の理由から、接地ループインピーダンスは、VSDがない場合と同じでなければなりません。最終的な保護は、ドライブに給電する上流側の保護装置によって提供されます。接地導体の寸法選定は、直給電モータの場合とまったく同じです（図3参照）。

図3：モータ接地故障経路と接触電圧

前述の通り、VSD用モータケーブルにはシールドが必要です。このシールドを安全接地接続として兼用できるかどうかは、そのインピーダンスと接地に関する実務規定によります。特別な計算を避けるため、別途銅製接地導体を使用するのが一般的です。

シールド付きモータケーブル内に接地芯を設ける（4芯ケーブル）か、外部に設けるかという疑問が生じることがあります。安全性の観点からは、どちらの解決策も同等に優れています。EMCの観点でも両方機能しますが、4芯ケーブルの場合は注意が必要です。接地芯は、ケーブル内部の電力芯線から拾われたかなりの高周波ノイズ電流を流します。これがインバータ配線盤内でケーブルシールド端処理箇所から離れた地点に接続されていると、ノイズ電流が盤の接地配線に注入され、信号回路に悪影響を及ぼすリスクがあります。図4に示すように、インバータ盤の物理的にシールド端処理箇所のすぐ近くに接続する必要があります。

図4：4芯シールド付きモータケーブルの接地（PE）芯の正しい処理

静電容量とインダクタンス

モータケーブルには固有の静電容量とインダクタンスがあります。商用周波数では静電容量の影響は無視できますが、インダクタンスはわずかな電圧降下を生じ、非常に長いケーブル配線と高いDOL始動電流の場合を除き、主に無視できます。

インバータからの高速立ち上がりPWMパルスへの影響の方がはるかに重要です。各パルスエッジでケーブル静電容量を放電する必要があり、これにより各エッジでかなり大きなが短時間の電流パルスが発生します。これらは高周波電界放射の原因となり、またインバータのパワー半導体のスイッチング時に負荷となります。

幸い、ケーブルインダクタンスは静電容量とともにケーブルに沿って分布しており、充電電流を制限する効果があります。正味の効果は「テレグラフ方程式」で記述され、ケーブルパラメータである特性インピーダンスZ₀と伝播速度vが導き出されます。

各PWMパルスエッジでは、ケーブルを充電するために次の電流が流れます：

I = V_DC / Z₀

ここで、V_DC = インバータのDCリンク電圧

同軸ケーブルの場合、特性インピーダンスは次式で与えられます：

Z₀ = (60/√ε_r) × ln(D/d)

ここで：

• ε_r = 誘電体（絶縁体）の相対誘電率
• D = 外部導体の内径
• d = 内部導体の外径

3相シールドケーブルでは形状が単純な同軸形状ではありませんが、挙動は類似しており、インピーダンスは誘電率と内外導体の相対直径の関数となります。ケーブルに使用される形状と誘電体材料は大きくは変わらず、対数項の影響でインピーダンスは形状変更に対してあまり敏感ではありません。標準的なシールド付き電力ケーブルの測定値では、Z₀は2.5mm²ケーブルで約45Ωから、120mm²ケーブルで約15Ωの範囲です。つまり、約20A以上の定格電流を持つ大型ドライブでは充電電流は無視できますが、約10A未満の定格では影響があり、ドライブは過大な電力損失や望ましくない過電流トリップなしに充電電流を供給できるよう設計する必要があります。

電流パルスの持続時間はケーブル長によって決まり、パルスがモータ端まで伝播し、反転反射として戻ってくる時間に等しくなります。ケーブルが長いほどインバータへの影響が大きくなります。

一部の特殊ケーブルでは、異常なZ₀値を持つことがあります。

電力芯線とシールドの間に絶縁ジャケットがない場合（高柔軟性シールド付き電力ケーブルで発生し得る）、直径比が大幅に小さくなります。ミネラル絶縁銅被覆ケーブル（MICC）も直径比が小さく、ミネラル絶縁体の誘電率が高いため、インピーダンスは非常に低くなります。

実効的なZ₀が低くなるもう一つの状況は、必要な定格電流を得るために単一の大径ケーブルを使用せず、複数のケーブルを並列接続する場合です。これらのケースでは、総ケーブル長が非常に短くない限り、ドライブとケーブルの間に直列チョークを追加してケーブル充電電流を制限する必要があります。Control Techniquesでは、設置業者が3本のケーブルを並列使用し、各相に3芯ケーブルを1本ずつ使用していた事例に遭遇したことがあります。この配置は、商用周波数電流が相芯線に流れるとシールドに逆向き電流が誘導され、シールドの発熱を招くため、いずれの場合も悪習です。VSDと組み合わせると、電力芯線とアース間の過大な静電容量による異常な迷走電流が発生し、近接回路への高周波妨害や、過大なコモンモード（アース）電流によるRFIフィルタの過負荷リスクを引き起こします。正しい並列接続方法と誤った方法を図5に示します。

図5：電力ケーブル並列接続の正しい方法と誤った方法

上記では、インピーダンスが適用されるケーブルのモードを特に区別していません。一般的にこれほど詳細を考慮する必要はありませんが、ドライブに影響を与える主なモードは以下の通りです：

• 単純非対称モード：1芯を他の全芯線とシールドに対する基準とする。これはドライブ負荷に関連するが、アース電流やフィルタ負荷には関連しない。
• コモンモード：全電力芯線をシールドおよび接地芯（装備されている場合）に対する基準とする。これはアース電流とフィルタ負荷に関連する。

モータ端子電圧のオーバーシュートと変化率（dv/dt）

ケーブルの静電容量とインダクタンスにより、パルスエッジでモータ端子電圧にオーバーシュートが発生します。テレグラフ方程式の観点では、これはインピーダンスのミスマッチによってモータ端子で生じる反射として理解できます。かなり短いケーブルでも多少のオーバーシュートが生じます。インバータや高速変化パルスに不慣れな場合、マイクロ秒オーダーのタイムスケールでは、モータ端子の電圧がインバータ端子の電圧とかなり異なることに驚くかもしれません。それらは接続されているにもかかわらずです。

モータには電圧耐力があり、それは電圧立ち上がり時間に依存します。約0.8マイクロ秒未満の立ち上がり時間では、電圧が巻線の最初の数ターンに集中し、ターン間絶縁にストレスがかかるため、耐電圧が低下する可能性があります。ほとんどのモータは、400Vまたは480V電源から駆動されるインバータドライブで、特別な対策なしで使用できるように設計されています。690Vモータの場合、絶縁破壊のリスクを避けるため、インバータ定格モータを使用することを強く推奨します。このようなモータは、IEC TS 60034-25（「コンバータ給電専用に設計された交流モータの設計と性能に関するガイダンス」）の指針に準拠して指定すべきです。

複数モータの駆動

複数のモータを1台のドライブで運転したい場合があります。例えば、小型換気ファンが建物のあちこちに取り付けられ、それぞれ専用のケーブルで1台のドライブから駆動されるケースです。この状況では、ケーブルの静電容量は全長によって決まりますが、各区間のインダクタンスはドライブに対して並列に見えます（直列ではありません）。n本のケーブルの場合、ドライブがパルスエッジで見るインピーダンスはZ₀/nとなります。

この場合、直列チョークを使用して静電容量充電パルスを制限すべきです。そうでないと、高い充電電流によってドライブが過電流トリップや制限を早期に起こす可能性があります。