VVF３相インバータモータの力率について

すごく初歩的な質問ですみません。
誘導モータを３相AC２００V（60Hz)で動作させる場合には
AC電圧とAC電流（モータ電流）の位相差で力率が発生すると思いますが、
VVFインバータでDC電源→3相AC（出力周波数可変）で駆動する場合の
力率はどう考えるのでしょうか？
この場合のAC電流は正弦波交流ですが、電圧の方はDC電源の
PWM駆動（デューティ）でDC電圧（振幅）と０Vを
繰り返しているだけですよね？
そもそものモータ駆動時の力率について全く分かっていませんので
平易な解説のURLなどありましたら紹介お願いします。
また誘導モータと同期モータと力率の関係についても違いがありますか？

No.2 ベストアンサー 回答者： Denkigishi 回答日時： 2007/06/14 10:13

電動機の力率を考えるには「有効電力」と「無効電力」がそれぞれどういう仕組みで決まるかを押さえれば分かりやすいと思います。

有効電力は実負荷＋電動機の損失ですから単純です。
無効電力は電動機の種類によって違います。
（１）誘導電動機はインダクタンスだと思えば概ね掴めます。インダクタンスに交番電圧が加わると９０度遅れの電流が流れます。電圧が高くなると無効電流も増えるので力率は悪くなります。逆に電圧を下げると力率は良くなります。下げすぎるとトルク不足になるので限界はあります。従ってご質問に対しては、無効電力はインバータの出力電圧と電動機のインダクタンスで決まります。
（２）同期電動機は励磁電流を増やしてゆくと遅れ電流が増大します。逆に励磁電流を減らしてゆくと進み電流が増大します。励磁電流をその中間辺りに調整すると無効電流はゼロ、即ち力率は１になります。つまり同期電動機は力率を進みから遅れまで自由に変えることが出来ます。但し磁石式の場合は変えることは出来ません。
（３）質問には含んでいないかもしれませんが、インバータの入力電源の力率について書いておきます。これは順変換回路で電流が断続されるため高調波が発生して力率が低下します。通常は負荷が軽いほど電流の流れる時間が短かいので、力率は悪くなります。

この回答への補足

回答ありがとうございます。
たとえば誘導モータの変わりにＬＲの３相直列負荷を持ってきた場合、
L値とR値についてはインピーダンスをＺとすると
cosθ=R/ZでL値が大きいほど力率は低下しますよね？
これを商用ＡＣ３相200Ｖで動作させると力率は上記ですが、
ＤＣ電源にインバータを持ってきてＰＷＭ制御で３相ＬＲ負荷を通電すると力率は改善するのでしょうか？
両者ともＬＲ負荷電流が同じと考えます。
そもそもの質問の発端はインバータ自身の損失（パワー素子？）は負荷側のインピーダンスで変化するのか？またはＰＷＭ制御で力率を改善することができるのか？というところから始まっています。

補足日時：2007/06/14 10:34

No.6 回答者： foobar 回答日時： 2007/06/14 20:17

誘導機の高効率運転

誘導機の場合、同じ周波数（回転数）、同じトルクだと、
電圧を下げれば、無効電流が低下、有効電流が上昇します。
（ついでに、鉄損は低下、銅損は若干複雑な挙動（一旦低下して上昇でよかったかな）をとります）
で、電圧を変えると損失が最小（誘導機の効率最大）になるところがあります。（効率最大点では誘導機の力率がほぼ一定になったような）
インバータによっては、誘導機のこの特性を使って、損失が最小付近になるように負荷や周波数に応じた電圧に設定するものがあります。
＃3さん回答にある省エネ型インバータの制御は、この手の制御のモノかと思います。
また誘導機の一次電流も電圧を下げてゆくと、あるところで最小になります。（一次電流最小の点と効率最大の点は若干異なっていたような。）

インバータの損失
直流電圧が同じ、出力電流が同じ、（PWMのキャリア周波数が同じ）なら、インバータの損失はほぼ同じでしょう。
大雑把に見て、通電損失は負荷電流（の平均値）にほぼ比例なので変わらず、（細かいことを言えば、出力電圧の大小でスイッチングのデューティー比が変わって、還流ダイオードとIGBTなどのON電圧の差の影響が出てきたりしますが。）スナバ損失の類は直流電圧とスイッチング周波数で大体決まるのでこれも変わらず、半導体素子でのスイッチング損も直流電圧と負荷電流でほぼ決まるので変化なしかなと。

No.5 回答者： Denkigishi 回答日時： 2007/06/14 18:47

貴殿のＮＯ３、ＮＯ４の回答補足についてゆけないところがありますが、私はそんなに厳密な動作を構想していません。

単純に電圧を調整して力率を良くして電流を下げればトランジスタの損失も減ると言っているだけです。
またＮＯ４の回答補足で、「インバータの力率とは効率の意味？」と聞かれていますが、それは違います。力率はあくまでも力率で、整流回路によって高調波が出来るために無効電力が生じて低下します。

No.4 回答者： foobar 回答日時： 2007/06/14 11:53

LR負荷をインバータ駆動する場合

（とりあえず、1.インバータ出力に高調波除去フィルタがない、2.インバータのキャリア周波数が十分高く、電流は基本波成分だけとみなせる、と仮定します。）
(負荷側の）基本波力率は、正弦波駆動の場合と変わりません。
(負荷側の）総合力率は、電圧に高調波成分が含まれる分、皮相電力が大きくなり、低下します。（有効電力は変わらないので）

インバータ入力側の力率については、負荷側の力率とは独立です。
（インバータ入力回路が単純なダイオード整流器の場合、＃２さん回答にあるような理由で、総合力率が低下します。）

この回答への補足

回答ありがとうございます。
インバータの力率と負荷側の力率が独立というのはわかりました。
このインバータの力率とは効率の意味でしょうか？

そもそも知りたいのは負荷側をＲ固定、Ｌ変更した場合で、
要求負荷電流が同じ場合、インバータの損失は変わってしまうのでしょうか？ＤＣ入力電圧は同じ固定とした場合です。
いかがでしょうか？お願いします。

補足日時：2007/06/14 12:43

No.3 回答者： Denkigishi 回答日時： 2007/06/14 11:49

先に書いたように、無効電力はインバータの出力電圧と電動機のインダクタンスで決まりますから、素子の損失を少なくするために無効電流を減らしたいのであれば、ＰＷＭ制御によって出力電圧を最適な値に調整すれば可能です。

最適電圧は、負荷が要求するトルクを出せる電圧です。（最大トルクは電圧の２乗に比例）
市販されている省エネ型のインバータでは力率制御機能が入っていて、負荷に応じて電圧を自動制御しています。

この回答への補足

なんどもすみません、
＞力率制御機能が入っていて、負荷に応じて電圧を自動制御しています。
とありますが、つまりチョッパなどでＤＣ電圧を可変としておき、
負荷の要求変動に対してなるべく変調率を高維持して（ＤＣ電圧可変で補って）還流パワーＤｉのオン比率を低下させて力行パワートランジスタのオン比率をあげて全体の効率を上げると考えてよろしいのでしょうか？

補足日時：2007/06/14 12:35

No.1 回答者： foobar 回答日時： 2007/06/14 09:17

インバータ駆動誘導機の力率

何通りか考え方があります。
・基本波力率：電圧と電流の基本波成分について、力率を考える。
・総合力率：高調波も含めて、力率＝有効電力/皮相電力、で考える。
用途によって使い分けているようです。

誘導機と同期機
同期機にも何種類かありますが、界磁（永久磁石または巻き線）をもっている同期機だと励磁の大半を界磁が負担するので、力率を高く保ちやすいです。
（同期機でも、固定子から励磁するリラクタンス機の類だと、誘導機と大差ないかと思います。）