VVVFインバータ製作 その1

こ***は。KKTです。

身内ネタ失礼します（予告）。
先日なかたくんと何人かで「君の蟹。（きみのかにまる）」という映画を見ました。内容自体はとてもおもしろくて、感動しました。特に宮水家特有の妄言や、一見関係無さそうに見えることも実は”結び”であることなどが印象的でした（ネタバレを避けるためこれも妄言です）。
さて、カラフルなケーブルや虹色のフラットケーブルを見てると思い出すのがこれ

 

 そう、組紐です。靴紐の上位互換みたいな奴ですが、僕も結い方を調べて編んでみることにしました。今回は平結びという結び方にチャレンジしました。

 とても微妙ですね。なんか気持ち悪いです。

 あとケーブルが汚いです。本来は芯糸（赤い）が見えないようになるのが美しいようです。ケーブルが固かったので仕方ないような気もします。

次から出かける時はこんな感じでキメていこうと思います。

 これもまた結びということですね。


一応試してみる方のために参考ページです。
http://missanga.seesaa.net/article/102864479.html



雑談が長くなってしましたが本題です。
しばらく放置していたAVRマイコンを使ってVVVFインバータを作っていきたいと思います。グーグルさんに尋ねると作例はいくらか見つかりますが、あまり詳細な製作方法について述べてる記事は少ないようですので、製作作業の様子や試行錯誤などをできるだけ詳しく書けたらなぁと思います。たぶん僕のメモ書きみたいになります。以下ダラダラと説明が続きます。

まずVVVFインバータについてですが、直訳すると可変電圧可変周波数インバータということになります。今回は、三相モータ用のVVVFインバータを作ってみることにします。さらに電車の「ｳｰﾝｳｰﾝ」みたいな音がして欲しいので同期式の部分もしっかり作ろうと思います。仕様はまだハードに手を付けてないのであまり決めてないですが
・入力AC100V
・モータ電圧200V
・出力周波数1～200Hz
みたいな感じにする予定です。出力周波数の上限が200Hzと高いのはACサーボアンプへの転用も考えているからです。交流同期モータは小さくてもパワーがあるのですごいです。

VVVFインバータを作るにあたって、一応VVVFの原理くらいは把握しておいた方が良さそうなので自分のメモ書き程度に触れておきます。
負荷が交流モータなので、インバータの出力周波数が重要になってきます。モータの回転角は周波数によって制御されるからです。しかし一般的なかご形三相誘導電動機は同期してない（回転数と入力周波数が完全に一致していない）状態でもすべりによりトルクが発生できるので、本当に回すだけなら固定周波数でも始動や運転ができます。というかぶっちゃけそれでもいいかなと思ってたんですがやっぱりGTOのVVVFみたいな音がして欲しいので可変周波数にしました。
実際にモータに印加される交流を生成するのはハードウェアのパワー回路なんですが、流石にA級やB級のアンプで純粋な交流の電力増幅を行うと消費電力や効率の面で色々馬鹿にならないのでD級の出力回路、つまりPWMで変調された交流を出力させます。PWMで出力するとういことは交流の信号と三角波を比較して、PWM信号を生成する訳ですけれどもこの時の周波数がなかなかおもしろいパラーメータとなっています。三角波の周波数はデジタル的な出力信号の品質に直結するわけですが、高くすることでの問題も当然あります。この辺りの説明はネットに山ほどあるので割愛しますが、古くはサイリスタで行われてきたスイッチングにはやはり損失やスイッチング速度の問題で上限があります。そのために存在しているのが、同期モードにおけるパルスモードと呼ばれるものです。
同期モードというのは、交流信号に対して変調する三角波が同期している状態です。つまり三角波の周波数は交流信号の逓倍になっていて、この倍率がパルスモードとなっているわけです。
下の図に同期モードにおける信号波と変調波の様子を書きました。

青い線が変調している三角波で、紫色の線が変調したいサイン波です。立ち上がりと立ち下がりの関係でわかりにくいですが、サイン波一周期に対して三角波はピッタリ三周期分あるのがわかります。また、赤線で描いたのは比較後のコンパレータ出力のイメージで、これがパワー回路に入力されることになります。このように三角波の周波数をサイン波の整数倍の周波数にすることで、毎周期同じPWM信号が得られるため、不規則に出て来る信号などが減りノイズ削減になります（たぶん）。騒音もうねりがなくなるため非同期に比べると幾分かましになると思います。
言い忘れましたが非同期とはこれ以外のモードです。電車では、発車時の「ｷｰﾝ」という短い音に当たる部分です。電車のモータ制御でなぜ最初だけ非同期なのかはよくわかりませんが、ごく低周波時に同期モードにすると不快な音が出るからとかでしょうか。まぁこの辺はやってみたらわかりますね。
電車のモータの回転数が上がっていくにしたがって、自動車のギアチェンジみたいに音が変わっていくのはよく耳にしますね。あそこでパルスモード、つまり三角波のサイン波に対する周波数の倍率が変化しています。スイッチング素子の限界周波数に達したからです。同期モードでサイン波の周波数を上げると同期している三角波の周波数も上がってくので適当なところで倍率を落としてやる必要があるんですね。

とまぁ、だいたいVVVFの原理が解ったのでソフトを作っていきます。まずは同期式PWMのテストとしてATtiny13Aを使用して三相分のPWM信号出力テストをしてみました。ソースは説明がめんどくさいので次回にします。

出力波形です。同期倍率は3倍です。上に描いた図と一致していますね。

 位相もだいたいピッタリ(!)120°ズレています。オシロが2chなのでもう一相は同時に描画出来ませんが正常でした。なんかバグもあるみたいなので修正しないといけません。

Web拍手反応

>EMLってなんだすか
ググりましたが、メールのファイルの拡張子みたいですね。
ほんとは電磁飛翔体加速装置らしいです。

>クチビル＾学＾園に入学する方法を教えてください
僕は卒園してないのでよく知りません。核酸とか教諭とかの著名言語学者に聞いてください。身内ネタ失礼しました。
そういえば幼稚園児の時さつまいも掘りというイベントがあったのですが取りすぎた僕は重くて袋を引きずって破く→先生が袋をもう一枚重ねてくれる→破くを繰り返してました。

>(拍手だけでも送れます) ←これ草
デフォルトのメッセージ(?)なんだよなぁ

>こんにちは、いつも楽しく拝見しております。
>シングルIHの記事を楽しみにしています＼(^o^)／
楽しいことは重要だと僕も思います。
シングルIHの記事は完結させたつもりだったのですが…。
たぶん再現性はあるのでまた実験して各部波形や定数調整について書くかもしれません、かもしれません。

>がんばっちょ
すき

>こんばんは、いつも楽しく拝見しています。
>わい。
一人称で名乗れたと思ってそう。

> わい！
> おっぱ
> ちん
> ホカホカ
> わい
> もっと送る
> \ぽ/
> わーい
こういうのは無意味に見えて実は意味の無いメッセージ、と思われがちですが本当はそれぞれ思うところがあって送信しているのだと思います。僕の思いは「なんでなかたくん記事書かないんかなぁ～？」です。あと5日！

それでは、今日はこの辺で。