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はなもく ウィキペディア可変電圧可変周波数制御
可変電圧可変周波数制御（かへんでんあつかへんしゅうはすうせいぎょ）は、インバータ装置などの交流電力を出力する電力変換装置において、その出力交流電力の実効電圧と周波数を任意に可変制御する手法を指す。
日本では鉄道車両の交流モータ駆動方式として可変電圧可変周波数の英語直訳である"Variable Voltage Variable Frequency"の頭文字をとってVVVF制御（ブイブイブイエフせいぎょ、もしくは、スリーブイエフせいぎょ）とよぶが、鉄道分野以外で一般に「電動機の可変速駆動制御」などと呼ばれるものに含まれる。家電分野では「インバータ」・エアコンなどと使われる。なお英語ではAdjustable Voltage Adjustable Frequencyであり、AVAFが正しい。
目次 |
概要
電力変換装置の出力電力手法には可変電圧可変周波数制御の他に、定電圧定周波数制御（CVCF制御）、可変電圧定周波数制御（VVCF制御）、定電圧可変周波数制御（CVVF制御）がある。
電気鉄道では交流電圧波形のピーク-ピークが架線電圧までは周波数と電圧を比例させ（VVVF制御領域）、架線電圧に到達後は誘導電動機ではスベリを増やして定出力とし、スベリ限界以降はトルクが速度の2乗に反比例する特性が基準になる（CVVF制御領域）。このVVVF制御された出力特性は弱界磁制御を行う直流直巻モータの特性に酷似している（モータ単独特性は回転数-周波数比例）。SIV（静止形インバータ）はCVCFとされるが、定電圧制御を行うものはVVCFに帰還制御を施したと考えて良い。
この制御で得られる可変電圧可変周波数の電力は、交流電動機を可変速駆動する目的で使われる。そのため、電力変換装置に接続された交流電動機を可変速駆動する制御方式を指すことがある。
このような出力や電動機制御を実現する鉄道用インバータ装置をVVVFインバータと呼ぶ。前述のようにVVVFは和製英語である。中国や韓国などでは、日本メーカの呼称の影響を受けてこう呼ぶ場合もある。
この技術は鉄道車両（電車、電気機関車）、自動車（電気自動車、ハイブリッドカーといった輸送用機器やファン、ポンプ設備、圧延機など様々な産業用機器、更には家庭用電気機械器具（エアコン、冷蔵庫）などで広く利用される。
「PAM」、「PWM」というのは直流から任意の交流疑似正弦波波形を生成する方式に使用され、前者がパルス振幅を変えて交流波形を生成する（パルス振幅変調）もの、後者がパルス幅を変えて交流波形を生成する（パルス幅変調）方式でありPAMは電圧を昇圧（降圧）させる部分と交流に変換するインバータ部で構成される PAMは装置がやや複雑になるため鉄道車両では使われていない。 PWMは多くのインバータ制御で使われており従来の多段合成変圧器を用いた正弦波インバータより小型高効率にすることが可能である
VVVF制御に欠かせない方式である。「3レベルインバータ」と言うものはサイリスタより高い周波数で使用可能な耐電圧の低いIGBTを使用するための回路方式であるが、動作としてはPWMである。交流での回生制動を可能にする交直変換回路としてPWMコンバータが用いられる様になったが、それは力行・回生双方向性を持ち、力行時にはコンバータとして使用しつつ、回生時にはインバータとして使用する必要があるためである。
2レベルインバータ主回路の場合+側UVW、-側UVWの出力素子が2個直列、これを3組並列にした回路であり各素子は電源電圧の1/2以上の耐圧素子が必要である。 また出力電圧は 全電圧-0Vの二段階となり正弦波に近い波形とするにはPWM周波数をかなり高めにしなければならない（PWM周波数を高くすると流せる電流量が減少する）。
3レベルインバータ主回路は各素子が2個直列になり これがさらに2組直列、これを3組並列にしたもので、上から1つ目、3つ目の中点を6本まとめて電源電圧の中間点へ接続する構成である。中間電圧を利用するため、全電圧-1/2-0Vの三段階の電圧が得られ、より正弦波に近い波形を得られる。 3レベルインバータは構造上多数の素子が必要で中間電圧を作るためにコンバータが必要（交流電車は整流用コンバータが必要なため装置の新設スペースは不要）であることから交流電車を中心に量産採用されている。ただし例外的にJR西日本207系の初期型は、耐圧の低いパワートランジスタの3レベルインバータ（3ステップと表記されているが同義）とチョッパーによる中間電圧発生回路を搭載する（コスト高のため2次車以降採用されていない）。
IGBT素子を使用するようになってから目にするようになった「2レベルインバータ」や「3レベルインバータ」は、素子の耐電圧性能とその搭載数を指し、前者は高耐圧の素子が1つのもの、後者は低耐圧の素子を2つ搭載したものである。IGBT以前では2レベルがほとんどであった（例外として、黎明期のGTO素子は高耐圧なものがなかったために3レベルとしたインバータもある。東急6000系電車（初代）などが該当する。また、JR系東日本209系920番台電車では従来の大電流の平型GTOサイリスタに代わって400V系工場向け汎用インバータで使われている低耐圧のGTOサイリスタモジュール使用のコスト検証や耐久試験で3レベルGTO素子インバータが使われた）。
沿革
VVVF制御は、交流電動機（誘導電動機、同期電動機）を可変速駆動するためのインバータの制御技術である。特にかご形誘導電動機は構造が簡単なため、保守のコストが非常に少なく、電動機自体の価格も安い、という利点があることが古くから知られていたが、回転速度が電源の周波数に依存するため、長らく可変速度を必要とするものでの使用は困難であった。
かご形誘導電動機の速度制御には、インバータ開発以前にも極数変換によるものがあったが、これは連続的な速度制御はできなかった。インバータの出力電圧と周波数を連続的に変化させる可変電圧可変周波数制御が、交流電動機を連続的に速度制御することを実現した。これは、近年の半導体技術、特にパワーエレクトロニクスの進歩に伴い、高速・大容量の制御素子が開発されて実現可能となったものである。
1960年代後半頃から、ファン・ポンプや抄紙機など産業用途での利用が始まり、1970年代後半から1980年代前半には鉄道やエレベータ、1990年代には冷蔵庫、エアコンなど家電機器でも利用されるようになった。
近年 汎用インバータも価格が下がり送風機などでは風量や静圧調整のためプーリー交換やモータ交換をするよりインバータ制御で調整した方が安価になっている。
なおブラシレスDCモータの可変速制御回路も回路的にはインバータと全く同じであるが モータが同期モータですべりが無いため正確に回転子の位置をフィードバックしないと 同期はずれを起こし停止する
使用される電動機
2000年代に入り、特に高効率でオープンループ制御が可能な永久磁石同期電動機が多用されるようなった。また、大容量の電磁石同期電動機や既設のかご形三相誘導電動機の制御にも使用される。
単相誘導電動機はインバータで可変速運転には適さないので基本的には使用されない 一定回転数以下になると始動用スタータコイルを制御する遠心力スイッチが動作しなくなり始動動作を繰り返す、コンデンサ始動式では低電圧時十分な進相電流を流すことができずある点で突然始動するか過電流で異常停止する このためあまり低い回転数で使えないことを条件にファン、ポンプ用途に限定して単相電源-単相出力のインバータが販売されている
スイッチング素子
可変電圧可変周波数制御はサイリスタやトランジスタといった半導体6個を用いて電流のON/OFFを繰り返し、パルス幅を変動させることで疑似的に三相交流を作り出す。電流のON/OFFを司るのがスイッチング素子で、ことさら鉄道においては逆導通サイリスタ（RCT）、ゲートターンオフサイリスタ（GTOサイリスタ）、パワートランジスタ（PTr）、絶縁ゲート型両極性トランジスタ（IGBT）が用いられてきた。そのうちGTOサイリスタとIGBTが大半を占めるが、GTOサイリスタはゲート信号に大電流が必要（特にオン→オフへの移行時）で装置が大きくなる、損失が大きい、スイッチング周波数が低いため綺麗な交流が作り出せないといった欠点から、これらの欠点が少ないIGBTへと移行しつつある。IGBTは出力段がトランジスタであるため電流容量が余り大きなものがなく（GTO素子では4500Aの素子があるのに対してIGBTは2000A程度までが実用レベル）1つの制御装置で4個程度のモータを制御するのが限度である
制御方式
VVVF制御はモーター特性に合わせた制御
VVVF制御とは実は交流モーターである誘導電動機や同期電動機の基本特性にぴったり合わせた原理的な制御方式である。
- 従前は供給電源の周波数を自由に変えられる装置が簡単には構成できなかったため、電圧を何段階かに切り換えたり、巻線の結線を変え、あるいは回転子のコイルにスベリ周波数に見合った直列起動抵抗を挿入して最大トルクを得る様に調整するなど、電気特性的にはイレギュラーな簡易的起動方法を採用して、起動後の定常運転状態では軽負荷で使っていた。
ところが大電力用半導体素子の発達でインバーターとして自由な周波数と電圧を生成できる様になったことで、モーター特性に合わせた電力供給が実現された訳である。
- いま、鉄心の磁気飽和による最大磁束以下の Φ [m] に励磁された回転子が回転数 n で回転していた場合、固定子に巻かれたコイルには最大 Φ [m] のほぼ正弦波の磁束が鎖交する。コイル誘起電圧 e は磁束の変化率（ = 微分値）×巻数 N である。すなわち、
- 鎖交磁束を
- とするとき、
の時間微分は、 
であるから、- 誘起電圧
となって、一定磁束なら回転数 n は周波数 f に比例することが分かる。「e/f が一定」と言っても良い。
モーターの端子電圧 = 供給電圧はこれに巻線抵抗などのインピーダンス電圧降下分を加えたもので平衡するから、それをインバータで生成する方式がVVVF制御と言われるものである。常に最大トルク付近や最大効率を追えるので、使用する交流モーターを従前よりかなり小型化でき細かな制御ができるようになった。そのためエアコンなど家電製品などにもインバータ方式（ = VVVF方式） が採用されている。
電圧/周波数 ( V/f ) 一定制御
設定されているシーケンスで電圧/周波数を連動させて制御する。
特徴
- 制御回路が単純で安価である。
- 外乱による変化に対応しにくい。
用途
- ファン・ブロワ・圧縮機・ポンプなど、2乗低減トルク負荷の部分負荷時の省エネルギー用。
（回転部）センサレス・トルクベクトル制御
各巻線の電流の大きさと位相で、トルクと回転数を推定し、それに基づいて電圧・周波数を変化させ、目的のトルク・回転数を得る。
特徴
- センサの保守が容易である。
- 高速な制御回路が必要である。
- 制御回路に電動機・負荷の特性が正しく設定されていないと、制御が乱れる。
用途
- クレーン・ハイブリッドカーなど、大きな始動トルクが必要な負荷用。
- タンクレス給水用ポンプなど急速起動が必要な用途。
- 近年では、鉄道車両の主電動機にもセンサレス制御が用いられるようになってきている。
（回転部センサ付き）トルクベクトル制御
回転部に回転数センサ（ パルス発信器など） 回転子位置センサ（ ホール素子など） を取り付け、その計測結果に基づいて電圧・周波数・位相などを適切に制御し、目的とする回転数・トルクを得る。
特徴
- 精密なトルク・回転数・位置制御が出来る。
- センサの保守が煩雑である。
用途
日本国内の鉄道におけるVVVFインバータの利用
歴史
1977年頃から、日本国有鉄道や帝都高速度交通営団でメーカーと共同で各種研究試験が行われていたといわれている。特に国鉄では青函トンネルを走行する電気機関車用と北陸新幹線を走行する新幹線車両用に開発が行われていたとされている。
VVVFインバータ搭載車両は、1982年に熊本市交通局8200形電車が日本で最初の営業用車両となる（1983年のローレル賞受賞）。このインバータは逆導通サイリスタ（RCT）を用いたものであったが、一般的なゲートターンオフサイリスタ(GTO)素子による初のVVVFインバータ搭載車両は、1984年に登場した大阪市営地下鉄中央線の20系電車（2代目）となる（高速鉄道としては日本初。しかし、試験が長引いたため、営業開始日順となる下表では4番目にある）(両車は後に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)素子に交換される)。
架線電圧1500Vでの初のVVVFインバータ制御車両は東急6000系電車のVVVF改造車である。1983年にデハ6202に日立製作所製2500V耐圧型GTO素子VVVFインバータ2台（電気回路はそれぞれ直列つなぎ）を搭載して各種試験を経て、1984年7月25日から大井町線で営業運転が開始された。その後、1985年にはデハ6302に東芝製VVVFインバータを、デハ6002に東洋電機製造製VVVFインバータを、1983年に改造された6202に4500V耐圧型GTO素子VVVFインバータを同時に改造した。
新車としては1984年の近鉄1250系電車1251編成(現・近鉄1420系電車1421編成)が最初だが、試作として2両編成1本が製造されたのみである。本格的な量産は、1986年の新京成電鉄8800形電車や東急9000系電車辺りからで、これをきっかけに多くの大手私鉄や地下鉄にインバータ車両の試験導入を経て本格的な導入が開始された。
IGBT素子を利用したインバータ搭載車両は1992年の東京地下鉄06系電車・07系電車が初となる。またJR西日本207系電車0番台とJR東日本701系電車、及びJR東日本901系電車A編成（後に209系電車900番台に改造されたが装置は三菱電機製のGTOに取り替えられた）ではパワートランジスタ素子を使用したインバータが採用されている。
初期のVVVF制御車両一覧
日本初の熊本市交通局8200形電車からのVVVF制御車両一覧。
| 鉄道事業者 | 形式 | 電気方式 | 営業開始 | 両数 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| 熊本市交通局 | 8200形電車 | 直流600V | 1982年8月2日 | 2 | 路面電車、1電動機、RCT素子(登場当時) 現在はIGBT素子に改造 |
| 東京急行電鉄 | 東急6000系電車 (初代)（廃系列） | 直流1500V | 1984年7月25日 | 3 | 形式内の一部、改造、1電動機 |
| 近畿日本鉄道 | 1250系電車（現・1420系電車） | 直流1500V | 1984年10月 | 2 | 直流1500Vとしては日本初の本格的VVVF車 |
| 大阪市交通局 | 20系電車 | 直流750V | 1984年12月24日 | 96 | 第三軌条式地下鉄としては日本初のVVVF車 現在はIGBT素子に改造 |
| 西武鉄道 | 8500系電車 | 三相交流750V | 1985年4月25日 | 12 | 新交通システム初のVVVF車（山口線用） |
| 札幌市交通局 | 8500形電車 | 直流600V | 1985年5月13日 | 2 | 路面電車、RCT素子 |
| 阪急電鉄 | 2200系電車 | 直流1500V | 1985年 | 2 | 形式内の一部（2720・2721）、VVVF試験車、東芝GTOサイリスタ素子 |
| 新京成電鉄 | 8800形電車 | 直流1500V | 1986年2月26日 | 96 | 直流1500Vとしては世界で初めて長編成を組み、関東初の本格的VVVF車 |
| 近畿日本鉄道 | 3200系電車 | 直流1500V | 1986年3月1日 | 42 | |
| 東京急行電鉄 | 9000系電車 | 直流1500V | 1986年3月9日 | 117 | |
| 小田急電鉄 | 2600形電車 | 直流1500V | 1986年3月17日 | 1 | 形式内の一部、改造 |
| 近畿日本鉄道 | 6400系電車 | 直流1500V | 1986年3月 | 66 | 南大阪線専用 |
| 東京急行電鉄 | 7600系電車 | 直流1500V | 1986年5月1日 | 9 | 改造 |
| 北大阪急行電鉄 | 8000形電車 | 直流750V | 1986年7月1日 | 70 | 第三軌条地下鉄（自社線・大阪市営地下鉄御堂筋線） |
| 近畿日本鉄道 | 7000系電車 | 直流750V | 1986年10月1日 | 54 | 第三軌条地下鉄（けいはんな線・大阪市営地下鉄中央線専用） |
| 日本国有鉄道（国鉄） | 207系電車 | 直流1500V | 1986年11月 | 10 | 国鉄としては唯一 |
| 阪急電鉄 | 7300系電車 | 直流1500V | 1986年 | 1 | 形式内の一部(♯7310）。京都線用 後に登場する8300系の初期3編成と酷似した制御装置である |
全車両がVVVF制御の形式には、両数に付随車を含む。一部車両がVVVF制御の形式には、両数に付随車を含まない。
利点
VVVFインバータは、きめ細かい回転数やトルクの制御ができ、衝撃が小さく、粘着力の向上で動力軸数の減少が可能であり、回生ブレーキの使用も可能である。そのため、1980年代後半からの半導体素子の進歩による価格の低下・信頼性の向上などにより、電気機関車や電車の主変換器に用いられることが増加している。なお実用化初期の段階では変調の度に軽微なトルク変動が発生する例が多かったため、粘着性能が電機子チョッパ制御より劣るという評価も見られた。実際、このころのインバータを使用している車両は降雨時などに空転・滑走が起きやすい。
特に電車の場合、小型大出力の三相誘導電動機（かご形三相誘導電動機）を利用することができるという利点が大きい。 VVVFインバータと三相誘導電動機を組み合わせる事で電動車と付随車の比率MT比を小さくできる。これは、インバータと三相誘導電動機の構成にすることでトルク変動を極力小さくすることができ、引張力特性が良好な為である。同MT比なら加速性能の向上にもつながる。 また、同出力の直流直巻電動機と比べ遙かに小型の為 大出力電動機の搭載が可能である。従来は台車内のスペースに余裕のない狭軌では、中空軸カルダン、直角カルダンといった複雑な動力伝達装置を用いて最大限の電動機を搭載してきたが、小型な誘導電動機ではその必要がない。整流子の無い誘導電動機自体が瞬間定格での使用に耐える構造であり、実効出力が同出力の直流電動機の3/2倍に相当する為である。
メンテナンスに手の掛かる電動車を減らすことや、直流電動機で必要となるブラシと整流子がないため電動機自体の保守の簡略化も可能であること、電気ブレーキを理論上停止直前まで維持することが出来るため、ブレーキパッド・ライニングの磨耗が少ないこと等から、ライフサイクルコストの低減が期待できる。また、床下まで客用スペースに使用するダブルデッカー付随車の連結両数を増加させたり、乗り心地の改善もできる。
電気ブレーキを使用した場合、理論上停止直前まで制動力を維持することが出来る。純電気ブレーキ対応のものは、停止直前にモータに加速時と逆の方向にトルクをかけることによって、非常ブレーキ使用時以外は完全停車まで電気ブレーキを使用できる。純電気ブレーキは三菱電機の製品名であり日立製作所では全電気ブレーキと呼んでいる。また、停止直前にモータに加速時と逆の方向にトルクをかける方式は複数あり、三菱電機の逆相モード（回転磁界を逆転させる方式）及び、日立製作所の直流添加モード（直流電流を流す方式）に分けられる。 純電気ブレーキは理論上停車寸前まで空気ブレーキをほぼ使用せずに停止できる。実際には、低速での回生電力の低下などによって回生ブレーキ率が落ちた時などに空気ブレーキと共有してブレーキ制動をしている。
電車・電気機関車の場合、発進時に特に大きな起動トルクが必要である。そこで、速度に応じて電動機への出力の方式を変えることで、滑らかな発進が行えるよう、VVVFインバータは幾つかの異なるパルス出力パターンを持っており、これをパルスモードと呼ぶ。ある程度加速したところでモーターの回転数に応じて電圧・周波数を同期させる。これを同期モードと呼ぶ。発進時に同期モードとしないのは、低速のため波形の周期が長く正弦波近似が可能だからである。
VVVFインバータは主制御装置がコンピュータ化されているため、スイッチング素子と一体化することができるほどコンパクトになった。そのため車両によってはかなり電動車の軽量化を行うことができる。また、ソフトウェアを変更するだけで、ある程度加速力を変更したり、電気ブレーキの失効速度を変更して他の車両とタイミングを合わせたりといったことが可能である。もっとも、失効速度の異なる車両を併結した場合乗り心地は損なうが、電気ブレーキの失効速度を調節せずとも運用上はまったく問題ない。
欠点
VVVFインバータに限らず、多くのパワーエレクトロニクス機器の問題として、高調波による電磁ノイズを発することが挙げられ、鉄道ではATC等、微小な信号電流を扱う装置に影響を与える懸念がある（名古屋鉄道や都営地下鉄新宿線においてVVVFインバータ搭載車の投入が遅れたのは信号ノイズ対策が大きな要因）。このため、実際の路線への導入に当たり、パワーエレクトロニクス機器の発するノイズが信号機器に悪影響を与えないよう、車両と信号機器を組み合わせて確認試験を実施し、問題のないことを確認している。特にJRや大手私鉄ではVVVFインバータの導入にあたって試作車を製造、または在来車を改造して試験車とするなどして、入念な試験が繰り返された。また発車時・停車時に発生する音が耳障り（著しい大音量による騒音ではなく、環境音より高い周波数の音であることによる）であることが挙げられる。
また、VVVFインバーター装置搭載の車両に乗車しながらAMラジオを付けると、ラジオにインバータ音そのままのノイズが盛大に入ることもある。(ニコニコ動画に実例の投稿がある)
1990年代以降に出た新型のIGBT素子では、GTO素子と比べて動作周波数が向上したため、この2つの問題を解決できた。近年では、インバータの出力波形を調整することで、さらなる高周波ノイズの低減に努めている。
インバータの駆動音
VVVFインバータ制御車両最大の特徴ともいえる、発車時・停車時に発生する何度も高低が変化するような音（磁励音）は、パルスモードが変化しているために発生するものである。車両発進時には、「ピーー」というような音や「ビーー」という音で起動するが、その後は自動車がトランスミッションで変速するときのエンジン音のような音がする。これらの音は主にモーターから発せられ、インバータ装置自体からも「ジーー」とモーター音に合わせてスイッチング音が聞こえる場合がある。
これらの音は多種多様であり、同じメーカー・機種のインバータを搭載していても中のプログラムや設定が異なるとまったく違う音を立てる。GTOでは近鉄のGTO-VVVFインバータ車のほとんどが、また小田急1000形の一部や新京成8800形、IGBTではJR西日本223系2000番台1次車の東芝製制御装置車の様にプログラムの更新により音が以前と全く変わった車両も存在する。
GTO素子を使用したインバータでは発車時・停車時の音を耳障りと感じる人も多いが、IGBT素子では、スイッチング周波数を高くできるため、耳障りな音色を改善できるようになった。GTOが主流だった頃も、90年代からは音を間延びさせたりパルスパターンを減少させるなどの工夫を凝らしていた[1]。性能が向上したこともあるが、これにより音が大きく変わったため、ファンの間では80年代のものを「初期型」、90年代のものを「後期型」などと呼び分けることがある。
なおシーメンス製のGTO素子を用いたインバータ制御装置を搭載した車両の一部では、音階のような音が主電動機とインバータ制御装置より発せられる。
- ^ 下の「東急2000系」または「JR西日本223系」参照。東急2000系は東急9000系と同じメーカーのものだが、90年代のものである前者の音よりも間延びしていてパルスパターンも減っている。
備考
現在、電車用の直接形交流電力変換器は実用化されていないため、交流電化区間に用いられる電車であっても、一旦直流に整流を行ってから、VVVFインバータを用いる制御（コンバータ・インバータ方式）を行う必要がある。
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