専用VFDケーブルによる軽工業用モータの保護
著者 Kenton Williston 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2026-05-28
マルツ掲載日：2026-10-19
可変周波数ドライブ(VFD)は、その優れた効率と精密な制御能力から、軽工業用途で広く採用されています。しかし、多くの小型VFDはノイズの多い出力を発生させ、モータの供給ケーブルの選択に重大な影響を及ぼします。不適切なケーブルを選択すると、診断が困難なダウンタイム、モータの早期故障、安全上の問題など、さまざまな問題引き起こす可能性があります。
これらの問題の多くは、VFDの基盤となる高速スイッチング技術に関連しています。高周波スイッチングは、モータ、周辺のシステム、およびケーブル自体に損傷を与える可能性のある、大きな電圧スパイク、電磁干渉(EMI)、浮遊電流を発生させます。
本記事では、VFDを使用する際に設計者が直面するケーブル配線の課題について解説します。その後、BeldenのVFDケーブルを紹介し、これらの課題に対処するためにそれらをどのように活用できるかを示します。
軽工業用モータにおけるVFDの課題
VFDは、ファン、ポンプ、コンベヤ、押出機、ミキサ、プレス、粉砕機などの軽工業用途において、設計上の難しいトレードオフを突きつけます。これらの用途では、数十台、数百台ものモータが導入されることが多く、その規模の大きさから、最低コストのソリューションを採用せざるを得ないというプレッシャーが生じます。
その結果、これらの用途では、シリコン(Si)絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)をベースにしたエントリレベルの汎用小型VFDが求められることがよくあります。これらのドライブの代表的な特性は以下の通りです。
・1～30HP(0.74kW～22kW)の1馬力以上の出力(HP)
・200V～575Vまでの3相低電圧出力
・2kHz～16kHzのスイッチング周波数
出力レベルが中程度であり、コストも抑える必要があるため、施設内の他の場所で使用されているケーブルをそのままこれらのドライブに接続したくなるかもしれません。用途によっては、TECK90規格外装ケーブル、連続波付溶接(CCW)外装ケーブル、あるいは熱可塑性高耐熱ナイロン被覆(THHN)ケーブルなどの標準的な建築用電線も使用されます。しかし、これらの選択肢のいずれも、VFD固有の特性に適切に対応しているわけではありません。
VFDに専用ケーブルが必要な理由
エントリレベルのVFDは、2レベルのパルス幅変調(PWM)を使用しており、出力は2つの状態の間で高速に切り替わります(図1)。これらのドライブの矩形波出力は立ち上がり時間(dV/dt)が急峻であり、これがいくつかの問題を引き起こす可能性があります。
図1：エントリレベルのVFDは、2レベルのPWM出力を使用して正弦波に近似します。(画像提供：Wikipedia)
第1に、VFDから発生する矩形波は、モータの供給ケーブルに高周波高調波ノイズを発生させます。これらの波は、ケーブル終端などのインピーダンス不整合によって反射する可能性があります。これらの波の干渉による電圧の増幅により、公称電圧の2倍から3倍のスパイク電圧を発生する可能性があります。たとえば、460Vのモータに電力を供給するVFDでは、1kVをはるかに超えるスパイクが容易に発生します。
これらの高電圧は、コロナ放電開始電圧(CIV)を超える可能性があり、ポリ塩化ビニル(PVC)などの標準的なケーブル絶縁材料が損傷する可能性のあるコロナ放電を発生させる恐れがあります。これにより、機器の故障や感電の危険が生じる可能性があります。
第2に、急激な電圧変化は過度のEMIを発生させ、追跡困難な動作エラーにつながる可能性があります。たとえば、このノイズは、プログラマブルロジックコントローラ(PLC)や周辺にある他の制御システムの動作に影響を与える可能性があります。これは、モータ供給ケーブルを他のケーブルの近くに敷設しなければならない場合に特に問題となります。干渉により、ネットワークやセンサの信号に影響を及ぼす可能性があるためです。
第3に、急速なスイッチングは3相電圧のアンバランスを引き起こし、相線以外のリターンパスを必要とする浮遊電圧を発生させます。適切な封じ込め対策が講じられない場合、その結果生じるコモンモード電流(CMC)は、多くの場合モータのベアリングを介して放電し、微細な溶融やピッチングを引き起こし、モータの寿命を大幅に縮める可能性があります。
場合によっては、CMCがVFDエンクロージャやその他の構造物を介して戻ってくることもあります。これにより、電気ノイズが周囲に放射され、感電の危険性があります。これらは、たとえばTECK90やCCWケーブルの使用する場合に伴うリスクです。
なお、高周波電圧は、VFDに出力フィルタを組み合わせるか、本質的に出力が滑らかなマルチレベルVFDを選択することで軽減できる点に留意すべきです。しかし、どちらのアプローチも危険を完全に排除できるわけではなく、コスト重視の用途では、どちらの選択肢も現実的ではない可能性があります。
VFD専用ケーブルの利点
Belden Basics 2kV VFDケーブル(図2)は、PWM駆動型VFD に伴うリスクに対処するように設計されています。その設計の主な特長は、定格2kVの架橋ポリエチレン(XLPE)絶縁です。CIVを超える電圧にさらされた場合でも、XLPEは緻密な分子構造により、コロナ放電に対して高い耐性を維持します。これにより、電圧スパイクに対する十分な耐性が確保され、ほとんどの小型VFDに対応できます。
図2：Belden Basics 2kV VFDケーブルは、銅テープシールド、対称接地、そして堅牢な絶縁体と被覆を備えています。(画像提供：Belden)
また、XLPEはPVCよりも誘電率が低いため、ケーブルの静電容量とそれに伴う充電電流を低減します。
標準的な電気ケーブルでは、通常、1本の中程度のサイズの接地導体が使用されます。対照的に、Basics 2kV VFDケーブルは、相導体間に等間隔で配置された3本の大型接地導体を備えています。この構造により、CMCは低インピーダンスでバランスのとれたリターンパスを確保しています。
さらに、Beldenのケーブルには、2層らせん状銅テープシールドが組み込まれています。これにより、放射および伝導EMIに対して、連続した低インピーダンスのバリアが提供されます。接地導体は裸線であり、シールドと直接接触しているため、すべての不要電流に対して共通の低インピーダンスのリターンパスを提供します。
Basics 2kV VFDケーブルには、軽工業設備の典型的な過酷な環境に耐えるよう設計された機械的特長もあります。耐油性PVC製外被は、潤滑剤や工業用流体の暴露に耐えます。このケーブルは直接埋設が可能で、TC-ER規格にも適合しているため、コンジットを使用せずに露出配線のままで設置することができます。FT4/IEEE 1202難燃性により、厳しい消防規制のある施設でも、さらなる安全マージンを確保します。
モータ出力に応じたVFDケーブルの選定方法
その他の考慮事項に加え、ケーブルは電流容量に基づいて選択する必要があります。この容量は主にケーブルのゲージによって決定されますが、用途によってはディレーティング係数を考慮する必要があります。
Beldenは、NEC表430.250に掲載されている3相ACモータの標準的な全負荷電流(FLC)定格に基づき、NEC条項430-22(A)に従って125%を乗じた値を用いた、分かりやすい選択ガイド(図3)を作成しました。
図3：Belden Basics 2kV VFDケーブル選択表は、モータの電圧と出力に基づいて使用するケーブルを示しています。アスタリスクは、配線距離が長い場合にケーブルの径を太くする必要があるかもしれないことを示しています。(画像提供：Belden、修正：Kenton Williston氏)
たとえば、230Vで動作する10HPモータの場合、29723C 0102500が適しています。このケーブルは10AWG導体と14AWGの接地導体を備えています。
460Vで動作する10HPモータの場合、14AWG導体と18AWGの接地導体を備えた、より軽量な29721C 0102500を推奨しています。これは、2ゲージのステップダウンであり、高電圧での電流消費が少なくなることを示しています。
設計上の考慮事項は、許容電流だけではないことに注意してください。もう1つの重要な問題はケーブルの長さです。50フィート(ft)を超える配線の場合、電圧降下により、より太いゲージが必要になる場合があります。10HP/460Vモータの例に戻ると、Beldenは、長距離の配線には29722C 0102500(12AWG導体、16AWG接地導体)へのサイズアップを推奨しています。
カスタム長VFDケーブルの利点
性能とコストを最適化するためには、必要な長さに正確に切断されたケーブルを入手することが重要です。スプール状のケーブルを注文し、現場で必要な長さに切断することも1つの選択肢です。しかし、この方法では無駄が生じることが多く、現場での切断は不正確になる可能性があります。同様に、標準長さのケーブルを注文して切断することも、コスト効率の悪い場合があります。
このような制約に対処するため、Digi-Spoolカスタムケーブル長プログラムでは、最小長さの制限や追加の切断費用なしに、フィート単位(またはメートル単位)での注文が可能であり、スプライスを使用しない正確な切断が行われます。このプログラムはUL認証を取得しており、本記事で紹介するすべてのBelden製ケーブルはカスタム長で入手可能です。
VFDケーブルの終端処理方法
適切なケーブルを選ぶことも重要ですが、適切な終端処理も重要です。標準的な方法では、シールド(場合によっては接地導体も)をVFDエンクロージャに接続します。しかし、この方法では、ドライブ、PLC、およびその他の敏感な機器の近くにノイズ電流が流入する可能性があります。
Belden が推奨する解決策は、絶縁(パススルー)グランドを使用することです。これにより、そのポイントでシールドや接地を終端することなく、ケーブルをエンクロージャ内に引き込むことができます(図4)。これにより、シールドと接地をVFDおよびモータの保護接地(PE)に接続することができ、堅牢な絶縁を実現します。
図4：VFDケーブルのシールドと接地は、ドライブおよびモータのPEに接続する必要があります。(画像提供：Belden)
Beldenは、この目的のために設計されたBTCケーブルグランドの製品ラインアップを提供しており、その中にはBTC075A0791RA(図5)も含まれています。そのパススルー設計により、エンクロージャの入口でシールドと接地導体を絶縁した状態に保つことができ、本記事で取り上げたすべてのケーブルと互換性があります。グランドは、標準的な工業用エンクロージャに適した3/4インチのNPT(National Pipe Tapered)フィッティングを備えています。
図5：BTC075A0791RAケーブルグランドは、VFDケーブルのパススルーを可能にするために特別に設計されています。(画像提供：Belden)
まとめ
VFDは優れた効率と制御性能を提供しますが、その高速スイッチング出力には課題があるため、ケーブル選定には細心の注意が必要です。Belden Basics 2 kV VFDケーブルは、小型VFD向けに最適化された機能により、これらの課題に対応します。DigiKeyのDigi-Spoolカスタムケーブル長プログラムと組み合わせることで、これらのケーブルは、幅広い軽工業用途に実用的なソリューションを提供します。
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