可変電圧可変周波数制御

可変電圧可変周波数制御は、英語ではVVVF(Variable Voltage Variable Frequency)といい、交流電動機の制御方式の一つである。

Table of contents

1 制御方式

1.1 電圧/周波数制御

1.1.1 特徴
 1.1.2 用途

1.2 (回転部)センサレスベクトル制御

1.2.3 特徴
 1.2.4 用途

1.3 (回転部センサ付き)ベクトル制御

1.3.5 特徴
 1.3.6 用途

2 鉄道におけるVVVFインバータの利用

2.4 利点
 2.5 制御用素子
 2.6 走行音

制御方式

電圧/周波数制御

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。

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・エレベータなど、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。

(回転部センサ付き)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。

用途

押出機・巻取機・鉄道車両など、大きな始動トルクと正確な制御が必要な負荷用。

鉄道におけるVVVFインバータの利用

利点

VVVF インバータは、きめ細かい電動機の制御ができるため、トルク変化の衝撃も少なく、粘着力の向上が望めるため、電気機関車や電車の制御に広く用いられている。
特に電車の場合、電動車と付随車の比率「MT比」を大きく出来て、メンテナンスに手の掛かる電動車が減ることによりライフサイクルコストの低減が期待され、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したり、乗り心地も向上し、電気ブレーキできめ細かな停止制御を行うデジタルATCなどの実現にも欠かせない技術である。

電車の場合、発進時に特に大きな出力が必要である。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。

制御用素子

制御用素子としては、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)が使われている。

走行音

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。

GTO素子ではこの音が煩くなっていたが、IGBT素子では多少静かになった。
その為、最近ではIGBT素子を採用する方が多くなった。

発車時・停車時の音を耳障りと感じる人も多いため、新幹線や特急列車のIGBT素子では、高速度スイッチング素子を用いた製品で音量が抑えられるようになった。
一般通勤車両でも、最近このような対策が進んでいる。

また、ドイツのシーメンスでは、発車時の音の変化が音階に聞こえるVVVFインバータ装置を製造しており、日本でも常磐線のE501系、京浜急行電鉄の2100形、新1000形に採用されている。
これは、音を無理矢理消すよりかは、音量を調節して、耳障りにならないようにする為だ。
これらの車両は、まだGTO素子のみであるが、京浜急行電鉄の新1000形ではIGBT素子の試験車も導入した。