インバータのノイズ対策——伝導・誘導・放射の経路を切り分けてから効く手を選ぶ

この記事は、工場の設備でインバータ（モータの回転数を変える装置）を運転すると、近くのセンサ、プログラマブルコントローラ（PLC）、エンコーダ、ラジオや電話が誤動作したり雑音を拾ったりする、という困りごとを扱う。読み手は設備の保全・生産技術の担当者で、インバータの中の回路を設計する人ではない。原因の経路をどう切り分け、社内で何を試し、手に負えないときに外に何を頼むかを書く。製品として EMC 試験に合格させるための試験の指定はEMC 試験の指定で扱った。車に積む機器の話は車載機器の EMC 対策、センサの信号を扱う回路の話はアナログ回路のノイズ対策で扱う。

ノイズはスイッチングから生まれる

日本電機工業会（JEMA）の資料は、インバータが交流をいったん直流に変え、6 個のスイッチング素子の PWM 制御で三相の可変電圧・可変周波数の交流に変えてモータを動かす、と説明している^[1]。この素子が高速でオン・オフするたびに、インバータ、入出力の電線、モータと大地の間にある浮遊容量 C を経由してノイズ電流 i が流れ、その大きさは i＝C・dv/dt で表される^[1]。浮遊容量が大きいほど、電圧の変化が速いほど、ノイズ電流は大きい。オン・オフのたびに流れるので、キャリア周波数（スイッチングの回数）にも関係する^[1]。制御回路の電源に使う DC/DC コンバータもスイッチングをしているので、これも発生源になる^[1]。

この関係は、新しい設備ほどノイズの悩みが変わることも意味する。成蹊大学の研究報告は、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）を使った新しいパワー半導体でスイッチングが速く、周波数が高くなると、電力変換器が出す電磁ノイズが高い周波数・広い帯域に広がるとし、モータ駆動システムの放射ノイズは入出力のケーブルを伝わる高周波のコモンモード電流が主な発生源だと書いている^[4]。同じ報告は、シールドケーブルを使えば放射ノイズを大幅に下げられると述べている^[4]。古い設備を新しいインバータに替えた直後から誤動作が出始めたなら、この点を疑う。モータを買うときに使い方の条件をどう渡すかはモーターの仕様書に書くことを参照してほしい。

3 つの経路で切り分ける

JEMA の資料は、インバータのノイズの伝わり方を、伝導ノイズ、誘導ノイズ、放射ノイズの 3 つのルートに大別している^[1]。どの経路で届いているかで、効く対策が違う。

表の「伝わり方」の列は JEMA の資料の説明による^[1]。現場では、1 つの誤動作に 2 つ以上の経路が重なっていることが多い。それでも、いちばん強い経路から潰すと、残りが見えるようになる。

社内で切り分ける手順

試すことは 1 回に 1 つだけにする。2 つ同時に変えると、どちらが効いたのか分からなくなる。試した内容と、誤動作の回数や頻度が変わったかを記録しておく。

1. インバータを止めて、誤動作が止まるか
止めても続くなら、インバータ以外の発生源（別の装置、溶接機、電源の瞬時の変動）を探す。

2. 運転の状態で変わるか
加速・減速のときだけか、一定速度でも出るか。負荷が大きいときだけか。出る条件が分かると、試験で再現するときの手がかりになる。

3. キャリア周波数を下げて変わるか
JEMA の資料は、伝わるノイズのレベルはキャリア周波数によって変わり、高いほどノイズの発生レベルも高くなるとし、キャリア周波数を変えられるインバータでは、モータの騒音とのかね合いで下げることでノイズの発生を減らせるとしている^[1]。下げて誤動作が減れば、インバータが発生源であることの確かめにもなる。

4. 電源の系統を分けて変わるか
受ける側の機器を、別の系統の電源やバッテリーで一時的に動かしてみる。変われば伝導の経路が疑わしい。

5. 配線を離して変わるか
信号線を動力線から仮に離して引き直す。変われば誘導の経路が疑わしい。

6. 受ける側の機器を替えて変わるか
同じ機能で別の方式の機器に一時的に替える。機器によってノイズへの強さが違う。

現場で起きた例と、そのときの対策

JEMA の資料には、インバータの運転で起きたノイズトラブルと対策の具体例が表になって載っている^[1]。距離や部品の値が書かれているものを抜き出すと、次のとおりである。

表は JEMA 資料の表 2 から、距離や値の書かれた例を抜き出したものである^[1]。そのまま自社の設備に当てはまる値ではない。読み取ってよいのは、同じ「誤動作」でも経路が違えば対策が違うこと、そして誤動作する側の弱電回路に目を向けると、比較的簡単で安く対策できる場合がある、という資料の指摘である^[1]。電話の例は、周波数が合わないとフィルタが効かない例として読める。資料は、音声周波数の成分なので誘導性フィルタや LC フィルタは効果が期待できない場合がある、と書いている^[1]。どの周波数のノイズかで、効く部品も違う。

対策は 4 つの方向の組合せ

JEMA の資料は、基本的な対策として、受ける側の機器では配線を分けるなどノイズの影響を受けにくくし、出す側では、ノイズフィルタでレベルを下げる、金属の配線管や金属製の制御盤で封じ込める、電源用の絶縁変圧器で伝わる経路を断つ、を挙げている^[1]。

配線と接地

主回路と制御回路の配線はできるだけ分け、束ねるのはもちろん並行に引くのも避ける^[1]。制御回路にはシールド線やツイストシールド線を使い、配線の距離は最短にする^[1]。シールド線のシールドは、原則として 1 点だけを制御回路の基準（コモン）側に接続し、多点接続でループを作らない^[1]。接地については、ノイズの侵入や放射を防ぐ効果があるが主な目的は漏電による感電の防止で、モータとインバータが離れている場合はモータ専用の接地が望ましい、と資料は書いている^[1]。接地の線を勝手に外してノイズを試すのは危険なので、変えるときは電気の工事を担当する人と決める。

盤とフィルタ

金属製の制御盤は、インバータ自体からの放射ノイズを遮へいする。同じ盤の中に PLC などを置くなら配置に注意し、場合によってはインバータとの間に遮へい板を設ける^[1]。制御盤を外に作らせるときの仕様書の書き方は制御盤の製作を外注する仕様書で扱った。電路を伝わるノイズや主回路の配線から空中に出るノイズを下げるには、ラインフィルタや絶縁変圧器を使う^[1]。ラインフィルタには、電源ラインに並列につなぐ容量性のもの、直列につなぐ誘導性のものなどの簡易形と、ノイズの規制に対応するための LC フィルタがあり、目的とする効果に応じて使い分ける^[1]。

受ける側の処置

受ける側の機器では、信号回路の入出力端子にコンデンサや抵抗を並列につないでインピーダンスを低くする、信号回路にチョークコイルを直列に入れたりフェライトコアに通したりしてノイズに対して高インピーダンスにする、といった処置がある^[1]。信号の基準線（0 V）や接地線を太くすることも有効な対処法とされている^[1]。

受ける側の機器の強さを確かめる

受ける側の機器が、もともとどれだけのノイズに耐えるように作られているかも確かめる。電源や信号線に入る速い過渡的なノイズへの耐性を調べる試験として、JIS C 61000-4-4（電気的ファストトランジェント／バーストイミュニティ試験）がある^[2]。この規格の推奨試験レベルは次のとおりである^[2]。

工業環境で使う装置のイミュニティの共通規格 JIS C 61000-6-2 は、交流入力電源ポートに ±2 kV、3 m を超えるケーブルが接続される可能性のある信号・制御ポートに ±1 kV のファストトランジェント／バーストを規定している^[3]。受ける側のセンサや PLC の仕様書に、どの規格のどのレベルで確かめたかが書いてあるかを見る。工場で使うのに、住宅・商業向けの低いレベルでしか確かめていない機器なら、機器の選び方そのものを見直す理由になる。共通規格の読み方はEMC 試験の指定で扱った。

社内で手に負えないとき、外に何を頼むか

社内の切り分けで経路が絞れない、対策しても収まらない、増設や更新の前に影響を見積もりたい、という場合は外に頼む。頼む中身はおおむね 3 つに分かれる。

1 つ目は測定である。電源線に出ている伝導ノイズ、ケーブルを流れるコモンモード電流、周りに出ている放射ノイズを、周波数ごとに測ってもらう。どの周波数帯で大きいかが分かれば、効くフィルタやコアの種類が絞れる。

2 つ目は解析である。関西大学の研究シーズの資料は、インバータ駆動の電動機で発生する電磁界の分布を計算で求め、電磁ノイズの発生個所、大きさ、周波数帯域を出し、さらにフィルタなどによる対策の効果を予測する技術を紹介している^[5]。同じ資料は、実験を繰り返す代わりに計算を繰り返すので効率的だとしている^[5]。設備を止められない、試す対策の候補が多い、という場合に向く。

3 つ目は、受ける側の機器のイミュニティ試験である。誤動作した機器に、JIS C 61000-4-4 などの試験で規定のレベルのノイズを加えて、どのレベルから誤動作するかを確かめる^[2]。機器を替えるか、対策を足すかの判断材料になる。

どれを頼むにしても、次の情報をそろえると話が早い。

頼む前に、何を決めたいのかを一文にしておく。「誤動作を止めたい」なら対策の候補を試すところまで、「更新後に同じことが起きないか知りたい」なら測定と解析まで、と頼む範囲が変わる。

よくある質問

ノイズフィルタを付ければ解決しますか

どの周波数のノイズか、どの線に乗っているかで、効く部品が決まる。電源線や出力線に乗ったノイズが配線から放射されている場合は、インバータの入口に付けるフィルタも効く。JEMA の資料も、AM ラジオの雑音の例で、配線からの放射を下げる対策としてインバータの電源側に LC フィルタを挙げている^[1]。一方、電話の雑音の例は周波数が合わないと効かない例で、音声周波数の成分には誘導性フィルタや LC フィルタの効果が期待できない場合がある、としている^[1]。先に周波数と経路を絞ってから選ぶ。

シールド線にしたのに収まりません

シールドのつなぎ方を確かめる。資料は、シールドは原則として 1 点だけを制御回路の基準側に接続し、多点接続でループを作らないとしている^[1]。両端を盤や機械の筐体につないでいると、そのループを通るノイズを拾うことがある。

キャリア周波数を下げるとモータがうるさくなりました

資料も、キャリア周波数の変更はモータの騒音とのかね合いで決めるものとしている^[1]。下げられる範囲が限られるなら、他の対策と組み合わせる。

まとめ

インバータのノイズは、スイッチングと浮遊容量から生まれ^[1]、新しい速い素子ほど高い周波数に広がる^[4]。対策の前に、伝導・誘導・放射のどの経路かを、止める・キャリア周波数を下げる・系統と配線を分けるで 1 つずつ確かめる^[1]。対策は受ける側を強くし、出る量を下げ、封じ込め、経路を断つ、の組合せで、受ける側の機器のイミュニティのレベルも確かめる^[2][3]。収まらなければ、測定と解析^[5]を外に頼む。

あわせて、工場の静電気対策、はんだクラックの原因も参照してほしい。

出典・参考資料

1. インバータの上手な使い方（電気ノイズ予防対策について）（一般社団法人日本電機工業会／2021 年 9 月）
2. JIS C 61000-4-4:2015 電磁両立性－第 4-4 部：試験及び測定技術－電気的ファストトランジェント／バーストイミュニティ試験（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2015 年 10 月 20 日改正）
3. JIS C 61000-6-2:2019 電磁両立性－第 6-2 部：共通規格－工業環境におけるイミュニティ規格（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2019 年 1 月 21 日改正）
4. 高橋翔太郎「モータ駆動システムにおける磁気部品を統合した入出力コモンモード電流抑制法」2021 年度 研究助成 研究報告書（公益財団法人永守財団／2022 年 11 月）
5. 米津大吾「インバータ駆動電動機の電磁ノイズ・絶縁対策のための電磁界解析技術」研究シーズ（関西大学 社会連携部 産学官連携センター／2024 年）

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