フィードバックユニットサプライヤーは、自動誘導モーターの登場以来、交流発電機は既に可変周波数動作を採用していることを改めて認識しています。発電機の回転速度を変化させることで、出力周波数を調整します。高速トランジスタの登場以前は、これがモーターの回転速度を変化させる主な方法の一つでしたが、発電機の回転速度が電圧ではなく出力周波数を低下させるため、周波数の変動は限られていました。
そこで、周波数変換器のコンポーネントを見て、実際にどのように連携して周波数とモーターの速度を変更するのかを見てみましょう。
インバータ部品 - 整流器
ACモードではAC正弦波の周波数を変更するのが難しいため、周波数変換器の最初のタスクは波形をDCに変換することです。ACのように見せるために、DCを操作するのは比較的簡単です。すべての周波数変換器の最初のコンポーネントは、整流器またはコンバータと呼ばれるデバイスです。周波数変換器の整流回路は交流を直流に変換し、その動作モードはバッテリー充電器やアーク溶接機とほぼ同じです。ダイオードブリッジを使用して、AC正弦波が一方向にのみ移動しないように制限します。その結果、完全に整流されたAC波形は、DC回路によってローカルDC波形として解釈されます。3相周波数変換器は、3つの独立したAC入力位相を受け入れ、単一のDC出力に変換します。
ほとんどの三相周波数変換器は単相（230Vまたは460V）電源にも対応していますが、入力分岐が2つしかないため、生成される直流電流が比例して減少するため、周波数変換器の出力（HP）をディレーティングする必要があります。一方、真の単相インバータ（単相モーターを制御する単相インバータ）は、単相入力を利用し、入力に比例した直流出力を生成します。
可変速運転において、三相モーターが単相カウンタ部品よりも一般的に使用される理由は2つあります。第一に、三相モーターは出力範囲が広いことです。一方、単相モーターは通常、回転を開始するために何らかの外部介入を必要とします。
インバータコンポーネント - DCバス
DCバスの2番目の構成要素は、周波数変換器の動作に直接影響を与えないため、どの周波数変換器にも見当たりません。しかし、高品質の汎用周波数変換器には常に存在します。DCバスは、コンデンサとインダクタを用いて、変換されたDC電力の交流「リップル」電圧を除去し、インバータ部に入ります。また、高調波歪みを防止するフィルタも備えており、高調波歪みはインバータ電源にフィードバックされます。古い周波数変換器では、この処理を完了するために別途ラインフィルタが必要です。
インバータ部品 - インバータ
図の右側は周波数変換器の「内臓」です。インバータは3組の高速スイッチングトランジスタを用いて、交流正弦波を模擬した三相直流「パルス」を生成します。これらのパルスは波形の電圧だけでなく周波数も決定します。「インバータ」とは「反転」を意味し、生成された波形の上下動を意味します。現代の周波数変換器は、電圧と周波数を調整するために「パルス幅変調」（PWM）と呼ばれる技術を用いています。
それではIGBTについてお話しましょう。IGBTとは「絶縁ゲートバイポーラトランジスタ」の略で、インバータのスイッチング（またはパルス）部品です。真空管に代わるトランジスタは、私たちの電子工学の世界において2つの役割を果たします。増幅器のように信号を増幅する役割と、信号のオン/オフを切り替えるスイッチとしての役割です。IGBTは、より高速なスイッチング速度（3000～16000Hz）と発熱の低減を実現した最新型のIGBTです。スイッチング速度の向上は、交流波形のシミュレーション精度の向上とモーターの騒音低減につながります。発熱の低減はヒートシンクの小型化を意味し、周波数変換器の占有面積も縮小します。
インバータPWM波形
PWMインバータによって生成される波形を、真のAC正弦波と比較したものです。インバータの出力は、高さが固定で幅が調整可能な一連の矩形パルスで構成されます。
この特定のケースでは、パルスのセットが 3 つあります。中央の広いセットと、AC サイクルの正と負の部分の最初と最後の狭いセットです。
パルスの面積の合計は、真の交流波形の実効電圧に等しくなります。実際の通信波形の上（または下）のパルス部分を切り取り、曲線の下の空白部分をそれらで埋めると、ほぼ完全に一致することがわかります。周波数変換器はまさにこの方法でモーターの電圧を制御できます。パルス幅とそれらの間の空白幅の合計が、モーターが観測する波形の周波数を決定します（したがって、PWMまたはパルス幅変調と呼ばれます）。パルスが連続的（つまり空白なし）の場合、周波数は正確ですが、電圧は真の交流正弦波よりもはるかに大きくなります。
周波数変換器は、必要な電圧と周波数に応じて、パルスの高さと幅、そしてパルスとパルスの間の空白幅を変化させます。この「疑似」交流（実際には直流）がどのようにして交流誘導モーターを駆動するのか疑問に思う人もいるかもしれません。
結局のところ、交流電流はモーターのローターに電流とそれに対応する磁場を「誘導」する必要があるのでしょうか？つまり、交流電流は常に方向が変化するため、誘導が自然に発生しますが、直流電流は回路が作動すると正常に動作しなくなります。
しかし、DCのオン/オフを切り替えることで電流を検知できます。昔の車の点火システム（ソリッドステート点火以前）には、ディストリビューターに複数のポイントがありました。これらのポイントの目的は、バッテリーの「パルス」をコイル（変圧器）に伝えることです。これによりコイルに電荷が誘導され、スパークプラグが点火できるレベルまで電圧が上昇します。上図に示されている幅の広いDCパルスは、実際には数百個の個別のパルスで構成されており、インバータ出力の開閉動作によってDC誘導が発生します。
有効電圧
交流電流を複雑にしている要因の一つは、電圧が常に変化することです。ゼロから最大の正電圧まで変化し、その後再びゼロに戻り、さらに最大の負電圧まで変化し、そして再びゼロに戻ります。回路に実際に印加される電圧をどのように決定するのでしょうか？下の図は60Hz、120Vの正弦波です。しかし、そのピーク電圧は170Vであることに注目すべきです。実際の電圧が170Vであるのに、なぜ120Vの波形と呼ぶことができるのでしょうか？
交流電流を複雑にしている要因の一つは、電圧が常に変化することです。ゼロから最大の正電圧まで変化し、その後再びゼロに戻り、さらに最大の負電圧まで変化し、そして再びゼロに戻ります。回路に実際に印加される電圧をどのように決定するのでしょうか？
60Hz、120Vの正弦波は、ピーク電圧が170Vであることに留意する必要があります。実際の電圧が170Vであれば、なぜ120Vの波と呼ぶのでしょうか？
1 サイクルでは、0V から始まり、170V まで上昇し、その後再び 0 まで低下します。その後、-170 まで低下し続け、その後再び 0 まで上昇します。上限が 120V である緑色の四角形の面積は、曲線の正の部分と負の部分の面積の合計に等しくなります。
では、120Vが平均レベルなのでしょうか？ 分かりました。サイクル全体を通して各ポイントの電圧値を平均すると、結果は約108Vになります。つまり、これは答えではありません。では、なぜVOMでこの値が120Vで測定されるのでしょうか？これは「実効電圧」と呼ばれる値に関係しています。
抵抗器を流れる直流電流によって発生する熱を測定すると、その値は同等の交流電流によって発生する熱よりも大きいことがわかります。これは、交流電流がサイクル全体を通して一定の値を維持しないためです。実験室で制御された条件下で測定した場合、特定の直流電流によって100度の発熱が生じ、交流電流換算で70.7度、つまり直流電流値の70.7%の発熱が生じることがわかります。
したがって、ACの実効値はDCの70.7%です。また、AC電圧の実効値は、曲線の前半部分の電圧の二乗の和の平方根に等しいこともわかります。ピーク電圧を1とし、0度から180度までの様々な電圧を測定する場合、実効電圧は0度から707度のピーク電圧になります。図のピーク電圧170の0.707倍は120Vに相当します。この実効電圧は、実効値（RMS）電圧とも呼ばれます。
したがって、ピーク電圧は常に実効電圧の1.414です。230Vの交流電流のピーク電圧は325Vですが、460のピーク電圧は650Vです。周波数の変化に加えて、電圧が交流モーターの動作速度に依存しない場合でも、周波数変換器は電圧を変更する必要があります。 2つの460V交流正弦波。赤い曲線は60Hz、青い曲線は50Hzです。どちらもピーク電圧は650Vですが、50Hzの方がはるかに広いです。50Hz曲線の前半（0〜10ms）内の領域が、60Hz曲線の前半（0〜8.3ms）よりも大きいことが簡単にわかります。また、曲線の下の領域は実効電圧に正比例するため、その実効電圧は高くなります。周波数が低下すると、実効電圧の上昇はより深刻になります。
460Vモーターをこのような高電圧で動作させると、寿命が大幅に短くなる可能性があります。そのため、周波数変換器は、実効電圧を一定に保つために、周波数に応じて「ピーク」電圧を常に変化させる必要があります。動作周波数が低いほどピーク電圧は低くなり、逆もまた同様です。これで、周波数変換器の動作原理とモーター速度の制御方法について十分に理解していただけたはずです。ほとんどの周波数変換器では、マルチポジションスイッチやキーボードを使用してモーター速度を手動で設定したり、センサー（圧力、流量、温度、液面など）を使用してプロセスを自動化したりできます。