可変電圧可変周波数制御
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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、スリーブイエフせいぎょ、トリプルブイエフせいぎょ）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。
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[編集] 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。
電鉄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。
この技術はファン、ポンプ設備、圧延機など様々な産業用機器や鉄道車両（電車、電気機関車）、自動車（電気自動車、ハイブリッドカー）、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、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だが耐電圧の低い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。
[編集] 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。
[編集] 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。
しかし、内部に起動のためのコンデンサや分相コイルを持つ単相誘導電動機は、起動時にインバータがエラーを起こすため使用されることはあまりない。
[編集] 制御方式
[編集] 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Φm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Φm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Φe＝Φm・Sinθ （θ＝2πnt）とするとき
- Sin（2πnt） の時間微分は、2πn・Cos（2πnt） だから、
- 誘起電圧e＝2πNn・Cos（2πnt） となって、一定磁束なら回転数n＝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。
[編集] 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。
[編集] （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。
[編集] （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
[編集] 日本国内の鉄道におけるVVVFインバータの利用
[編集] 歴史
1977年頃から、旧国鉄や旧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。
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6202に日立製作所製2500V耐圧型GTO素子VVVFインバータ二台（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6302に東芝製VVVFインバータを、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1420系電車(1421F)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。
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(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（現209系電車900番台だが装置は三菱電機製のGTOに取り替えられている）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。
[編集] 初期のVVVF制御車両一覧
日本初の熊本市交通局8200形電車から量産車の登場した1986年までの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 |
| 東京急行電鉄 | 6000系電車 | 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 | 第三軌条地下鉄。路面電車を除いては日本初のVVVF車 |
| 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 |
| 札幌市交通局 | 8500形電車 | 直流600V | 1985年5月13日 | 2 | 路面電車 |
| 新京成電鉄 | 8800形電車 | 直流1500V | 1986年2月26日 | 96 | |
| 近畿日本鉄道 | 3200系電車 | 直流1500V | 1986年3月1日 | 56 | |
| 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 |
| 阪急電鉄 | 2200系電車 | 直流1500V | 1985年7月 | 2 | 形式内の一部。神宝線用 |
| 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 |
| 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。京都線用 |
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。
[編集] 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。
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。 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。
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事、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為、ブレーキパッド・ライニングの磨耗が少ない事等から、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停車までブレーキパッドをほぼ使わずに停止することができる。
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。
[編集] 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、問題の無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が製造又は在来車を改造して試験をするなど、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。
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。
[編集] 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。
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。
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搭載車両では、「ファソラシ…」という変調音階の音が主電動機とインバータ制御装置より発せられる。JR東日本E501系電車や京急2100形電車などが該当し、「ドレミファインバータ」という呼び名も鉄道ファンから付けられている。
[編集] 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。
