インバーターを理解する：電気・電子工学学生向け総合ガイド

はじめに：

この記事では、インバーターとは何か、その機能と動作原理を説明します。インバーターは太陽光発電システムで家庭・オフィス用の交流電力を得るために用いられます。また、「可変周波数ドライブ（VFD）」に組み込まれ、ファン・ポンプ・コンプレッサーなどの誘導電動機の速度・トルク・回転方向を制御するためにも使われます。

インバーターとは？

基礎から確認しましょう。電気には直流（DC）と交流（AC）の2種類があります。直流は懐中電灯、ソーラーパネル、電池、基板搭載の小型電子機器などで使われます。一方、家庭用大型家電では事情が異なります。コンセントから供給される電力は交流（AC）ベースで、家庭内の機器を駆動します。両者にはそれぞれ限界があるため、用途に合わせて相互変換が必要になります。

インバーターはその変換を行う装置です：直流を交流に変換します。オシロスコープで波形を見ると、直流は一定方向に最大電圧で流れるため一直線に見えます。交流は正負のピークを行き来する正弦波パターンを示し、電流は「行き来」します。

インバーターの動作原理

直流電源で交流機器を駆動する回路を考えます。直流を交流に変換するには4つのスイッチを用います。スイッチは、1と4が閉じれば2と3が開き、逆もまた然りとなるようにペアリングされています。これにより、直流電源に接続された負荷が交流電流を経験します。

一方のペアが開いているとき電流は交流機器の右側を流れ、対応するもう一方のペアが開けば左側を流れます。こうして負荷は交流電流を得ます。

ただし、この方式では正弦波ではなく矩形波が得られます。急激なスイッチングによる矩形波は電気機器を損傷する恐れがあるため、滑らかにする必要があります。エンジニアはダイオード、IGBT、MOSFETなどの部品を用いて波形を整形します。

インバーターにおけるIGBTの活用：

IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）は3端子半導体デバイスです。モーター用の以下の回路を考えます。

直流電源と交流負荷、コントローラーに接続された複数のIGBTがあります。各IGBTはコントローラーからの信号で開閉タイミングを指示されます。IGBTはペアで動作します。

回路に電源を投入すると、コントローラーがIGBTのペアを一定時間オンにして電流を流し、モーターに交流電流を与えます。

モーター速度制御へのインバーター活用：

IGBTは1サイクル内でパルス幅変調（PWM）と呼ばれるパルス状に高速開閉します。サイクルを微細なセグメントに分割し、コントローラーが各セグメントでのIGBTオン時間を指定することで、モーターに流れる電流量を可変制御します。

その結果、セグメントごとの平均電力が正弦波パターンを描きます。分割を細かくするほど滑らかな正弦波に近づき、モーターは正弦波交流電流を経験します。

コントローラーでIGBTのオン時間を調整すれば、信号の周波数と波長を制御でき、モーターの速度・トルク・方向を自在にコントロール可能です。

インバーターの用途：

インバーターには多くの用途があります：

• 車載用小型アダプターからオフィス・家庭用、大規模グリッドシステムまで幅広く使用
• 太陽光発電システム（フォトボルタイックアレイ）での一般的な応用
• 可変周波数ドライブ（VFD）に組み込み、交流モーターの速度・トルク・方向制御
• 産業・商業用HVACシステム
• 無停電電源装置（UPS）としての利用
• 太陽光発電システム
• 遠心ファン、ミキサー、ポンプ、コンベア、押出機など