ACドライブ

ACモータ･ドライブは、可変周波数ドライブ（VFD）やフィールド指向制御（FOC）など、モータ向けに開発された制御方式を利用して、電気モータ（通常、3相AC誘導モータまたは3相ブラシレスDCモータ）の速度とトルクを制御する周波数コンバータです。

STの製品

STは、STM8 8bitマイクロコントローラ、STM32 32bitマイコン、STM32MPx マイクロプロセッサ（MPU）や、IGBT、パワーMOSFET、高い電力効率を実現するシリコン･カーバイド（SiC）デバイスを含むダイオードといったパワー･ディスクリート製品を幅広く提供しています。また、インテリジェント･パワー･モジュール（IPM SLLIMM™）やプラスチック製パワー･モジュール（ACEPACK™シリーズ）により、最大数十kWに対応したスケーラブルかつ高効率な出力段の構築をサポートしています。

加えて、閉ループ制御や状態監視、予知保全に活用されるリモート･センシング向けに、高性能のオペアンプやコンパレータ、スイッチングIC、リニア･レギュレータ、MEMS慣性 / 環境センサ、機械学習を用いた慣性測定ユニットなど、広範な製品ポートフォリオを提供しています。また、包括的なソフトウェア / ハードウェア評価用ツールの提供により、開発期間とコストの削減に貢献しています。

• 可変周波数ドライブ（VFD）の動作原理

  • VFDは、主にACモータ（通常3相誘導モータ）、ドライブ･コントローラ、およびユーザ･インタフェースの3つから構成されます。

  • ACモータ

    AC誘導モータは多くの場合、コントローラを単純にするために速度が固定されています。モータ内のステータのコイルに3相の電圧を順に供給し、回転磁界を発生させることで電界が誘導され、ロータが駆動します。

  • ACドライブ･コントローラ

    一般的な産業用ACドライブ･コントローラには3つのハーフブリッジがあり、それぞれがステータに正弦波電圧を供給します。周波数の調節を可能にするため、電圧を変化させて各相の周波数を決定するスカラ·アルゴリズムを利用します。ハイエンドのモータではより高度なアルゴリズムがますます普及しつつあり、例として、多相の周波数の制御に使用されるベクトル制御、すなわちフィールド指向制御（FOC）が挙げられます。

    可変速ドライブを採用すると、制御アルゴリズムの複雑さも増します。

    またドライブに加え、モータ始動中の負荷やサージ電流を軽減するソフトスタート機能用のコントローラも必要となります。ソフトスタートは、モータにかかるストレスを減らし、産業用ドライブの寿命を最大化するために不可欠な機能です。

    モータには、始動時に動作電流の7倍～10倍におよぶ突入電流が流れ、動作時と比べて3倍のトルクが求められることもあります。デジタル·ソフトスタータ·コントローラは、始動中の電圧を継続的に監視し、モータの負荷を調整することでスムーズな加速や、速度 / トルク制御を実現します。ACモータ･ドライブ･システムの始動時と停止時にドライブにかかるストレスを軽減するとともに、電源への負荷を減らすことで消費電力を低減し、コストの大幅な削減に貢献します。

  • ACドライブ･インタフェース

    ACドライブのインタフェースには様々な接続方法があり、4mA～20mAの電流ループや0VDC～10VDCの電圧信号、Ethernetまたは無線通信リンクを通じたリモート接続などが挙げられます。

• 産業用アプリケーションにおけるACドライブ

  • 強力な半導体コントローラの登場により、とりわけVFDを用いたAC電動モータを中心とした新しいクラスの産業用ドライブが実現しました。これにより、高精度を実現するためにパルス幅変調（PWM）を用いたDCモータを必要としていたアプリケーションの多くで、より電力効率の高い3相AC誘導モータの使用が可能となりました。3相AC誘導モータは、様々な産業アプリケーションで消費電力の大幅な削減を実現します。とりわけ無線センシングや、インダストリアルIoT（IIoT）の一部として制御リンクと組み合わせた場合は、生産性を向上しつつ、製造現場全体での大幅なコスト削減が可能です。

    産業用ACドライブは、ファンや油圧ポンプの作動や、ピック･アンド･プレース･ヘッドを制御するステッピング･モータ、精密な制御を必要とするロボット･アームなど、様々な場面で活用されています。ロール･ツー･ロールの製造システムでは、ウェブオフセット印刷やフィルム状の薄型パネル製造などあらゆる場面において、負荷を考慮した慎重な速度制御が求められます。産業用ドライブは、高速かつ高精度が求められるローラ速度の厳密な調整に不可欠です。

  • アプリケーション例

    • ピック･アンド･プレース装置では、速度、精度、およびポジショニングが求められます。プレースメント･ヘッドが数分の1ミリメートル以内の誤差で、正確な位置へ高速移動できれば、プリント回路基板や部品の製造速度も向上します。

    • 

      ベルト·コンベアのような高トルクのアプリケーションでは、高負荷と低負荷を短時間のうちに制御しなければならず、高い効率と効果を実現するために精密なトルク制御が求められます。また、コンベアの停止が工場全体の生産性に影響するため、高い信頼性も必要となります。

    • 上記に挙げたようなアプリケーションにおいて、最新の産業用ACドライブ･テクノロジーを活用することができます。AC誘導モータはDCモータよりも信頼性が高く、エネルギー効率に優れています。また、最新の半導体デバイスは産業用アプリケーションで求められる制御水準を提供します。

  • 産業用ドライブをクラウドに接続することで、インダストリアルIoTおよびIndustry 4.0において新たな可能性が広がります。予知保全アルゴリズムによってモータをリモートで制御および監視すれば、さまざまな障害に伴う機器の停止を未然に防止可能です。これらはすべて、生産現場全体での大幅なコスト削減と生産性の向上を実現します。

ACドライブのブロック図