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VVVF

ぶいぶいぶいえふ

三相交流モーターの可変電圧可変周波数制御のこと。「スリーブイエフ」ともよばれる。鉄道車両における採用が有名。
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概要

特に鉄道車両の交流モーター(電動機)駆動方式。半導体を使ったモーター制御用インバータにより三相モーターに印加する交流の電圧と周波数を変化させる制御。「可変電圧可変周波数制御」(Variable Voltage Variable Frequency)とよばれる。

海外では一般にAVAF(Adjustable Voltage Adjustable Frequency)と略するが、意味はほぼ同じ。他にVFD(Variable Frequency Drive)という略表記もある。


近年新製される電車・電気機関車の大半がこの制御方式を採用している。発車・停車する際に「磁励音」と呼ばれる音が出るのが特徴。ドイツシーメンス社製造のインバータ制御装置を搭載した車両のそれはファンには有名である。

交流モータ制御の歴史

基礎知識

モータが回転する原理は、回転子のコイルと周辺部の磁界(界磁)の吸引・反発力を利用するというものである。
誘導モータの場合なら、周辺部に3系統の電磁石ABCを、ぐるっと囲むようにABCABCABCABCABC…と配置してやり、これらを制御してA・B・C・A・B・C…の順番で電磁石をONしてやればいい。回転子側のコイルは電磁誘導という現象によって自ら電磁石になってくれるため、ご察しのとおりA・B・C・A・B・C…の順に引き付けられて回転を始めるだろう。
上記のとおり誘導電動機は回転子が自ら勝手に電磁石となり、わざわざ人間様が電力を与えてやる必要が無いため、回転体に摺り合わせる電気接点(カーボンブラシ)が要らず、機構の簡略化とメンテナンスフリーが期待できる。昭和初期よりエスカレータやベルトコンベアなどには使われていたが、鉄道用途に普及するのにはさらに長い年月を要した。

VVVF制御ができなかったころの三相交流モータ制御

後述する問題により鉄道車両用としては使われていなかった。
問題は2つ、起動時に工夫が必要なのと、回転速度のコントロールが出来なかったからである。大容量VVVFが実用的・経済的になってようやく解決したのである。
インバータの無い大昔は、電力会社からやってきた50Hz/60Hzの三相240V(大工場などで使う大型機となると三相3,000V~6,000V位)を、三相誘導モータに直接ぶっこむしか手段が無かった。
モータの始動の際、そのままフルパワーの電源を投入すると過電流が流れて焼損につながるため、リアクトルや起動補償器(変圧器の一種)、磁石を使った自動スイッチによる結線切り替えなどにより、まずは電流を絞って起動し、その後定格電流に切り替えという制御をしていたが、それでも起動時には運転時よりもはるかに大きな電流が流れてしまい、起動トルクも低かった。始動そのものも急なトルク変動のある段つき加速だった。
また、停止してる回転子にいきなり最高速でABCABCされても回転子が付いてこれるわけもなくトルクが足らず起動すらしない(補足参照)ので、起動時に流体継手や電磁クラッチなどで負荷を切り離したり軽減する工夫も必要だった。

例外的に、ハンガリーでは単相交流50Hzを回転式変換機で任意(と言っても今ほど滑らかなわけではない)の回転を得られる三相交流に改変、これによって三相誘導電動機を駆動するものが1930年代より存在した(同様の構造をのちにフランスなどでも採用)。
開発者(カンドー・カールマーン)の名をとって「カンドー式」と呼ぶ。主眼は、三相誘導モーターを使うことにあった。元々ヨーロッパでは電気鉄道黎明期に三相交流電化した線区もあり、この技術はそこからの派生である。
回転式の変換機は相当に重く、むしろ変圧器や整流器を介した直流モータ駆動のほうが数段軽く作れたので、車両の重量制限が厳しい日本では全く作られていない。

補足

  • かご型誘導モーターは起動トルクが最大トルクより低い。


VVVF制御ができるようになってからの三相交流モーター制御

三相誘導モータの特性に合わせた電圧と周波数の三相交流が出力できるため、起動時の大電流(突入電流)が解消でき、また強い始動トルクも得られるようになった。電車が発進するときに聞こえる個性的な音(「キィーン」や「プルルルルル-↑」や「ファソラシド…」など)は、モータに流れる大電流を高速でスイッチングしている証拠である。
加えてゼロスピードの状態から回転子に合わせてゆっくりと周辺部のABCABCを同期できるので、始動が滑らかかつ容易になった。
回転子の現在の速度と回転磁界の速度が大きくずれるとトルクが足りなくなって回転が維持できなくなるため回転速度や主回路電流を測定して現在の速度を随時調べながら回している。
VVVFインバータは周波数も電圧も0からそれぞれの定格まで自在に出力できることを利用して、車輪の空転抑制を素早く行ったり、発電制動や回生制動による制動力の見込めない低速~停止寸前の電制も可能となった。

さらに、ブラシがないことでフラッシオーバのリスクがない誘導電動機の利点と、電圧と出力周波数、すべり率の制御によるトルクと回転数の制御を自在に行えるVVVFの利点を活かし、電動機の定格を超えた性能を容易に引き出すことを実現している。
例えば、起動時にすべりを増やして大電流を流し、トルクを増やして起動加速度を高めたり(209系など)、定格回転数の低い電動機を、途中からすべりを増やして大電流を流し、定格速度を引き上げる(京急新1000形など)といった芸当ができる。

VVVFのスイッチング方式には、一般にパルス幅変調方式(PWM)が用いられる。スイッチONの時間(パルス幅)を変化させることで電気の密度(≒電圧)を制御し、スイッチの回数や電流の向きを変化させることで交流の周波数を制御する。
電流の向きは、三相ブリッジ回路と電動機の結線により、120度ずつ位相がずれた三相交流をスイッチングによって出力すると、上手く切り替わるようになっている。

三相交流モータは単相交流モータより電力→運動エネルギーの変換効率に優れているため、半導体のコストダウンと共に家電機器にも使われるようになってきた。ちなみに家電機器ではモータが小さく、同期モータを使用するメリットのほうが大きいため一般には同期モータが採用されている。

※すべり・・・回転子と回転磁界の回転数の差。すべりがないと電磁誘導が起こらない。すべり率が大きいほど大電流が流れ、トルクは強くなるが、大きすぎるとトルクが減少し、損失が増える。

使われる半導体素子

電気信号で高頻度のON/OFFを大電力相手に行うため許容電力に優れるサイリスタやON/OFFの制御をやり易くすべく大電力用に作ったトランジスタを採用している。
それぞれの素子は下表のように改良され世代交代しており、鉄道では

サイリスタパワートランジスタGTOサイリスタIGBT ⇒ SiCハイブリッドモジュールSiC-MOSFET

と世代交代している。また最近は珪素半導体の欠点を克服した炭化珪素半導体の採用も進んでいるが、まだ素子単価が高いためスイッチング素子・還流用ダイオード共に炭化珪素半導体の「フルSiC」とよばれる構成のほかに、スイッチング素子は従来通りIGBTだが、還流用ダイオードは炭化珪素半導体を使用して価格を抑えつつ電力消費効率を改善した「ハイブリッドSiC」と呼ばれる構成のものもある。

サイリスタ

ターンオフ(ON⇒OFF)が面倒だが、トランジスタでは足元にも及ばないほどの許容電力の大きさが特長。

名称略称備考
サイリスタSCR還流用ダイオードとセットになっているものはRCTと略される
自己消弧型サイリスタGTOゲートに工夫がなされ、ゲートからある程度の電流を引き抜くと自己消弧ができる
ゲート転流型サイリスタGCTゲートにさらに工夫がなされGTOの消弧時の欠点が改善されておりスイッチング周波数も高くできる

トランジスタ

許容電力はサイリスタにとても及ばないが、スイッチング(OFF⇒ON / ON⇒OFF)がやり易く、スイッチング周波数もそれに伴って高く取れる点が特長。

名称略称備考
パワートランジスタPTr大電力制御用に作られたバイポーラトランジスタ
金属酸化膜型電界効果トランジスタMOSFET電圧による制御が可能でスイッチング周波数も高く取れる。しかし耐圧を高くするとON抵抗も高くなるため高耐圧品が作れない
絶縁ゲートバイポーラトランジスタIGBTMOSFETとバイポーラトランジスタの複合素子。それぞれの欠点を打ち消しあうように動作するため高耐圧品が作れて、同電力帯のMOSFETに劣るもののスイッチング周波数も高い
炭化ケイ素製MOSFETSiC-MOSFET炭化ケイ素の物性によりケイ素製MOSFETの欠点が改善されており高耐圧品が製造できる。そのため、鉄道車両の主回路用素子にも使えるようになった

関連タグ

インバータ シーメンス GTO IGBT 炭化ケイ素(SiC) PMSM
京浜急行電鉄新1000形/2100形JR東日本E501系:デビュー時は歌う電車と呼ばれていた。
熊本市電8200形:日本で最初のVVVF制御車。
大阪市営地下鉄20系:高速鉄道用としては日本初だが、営業開始は4番目。
近畿日本鉄道1420系新京成電鉄8800形:直流1500V鉄道路線用としては早期に採用。

制御方式関連リンク

抵抗制御⇒電機子チョッパ制御界磁チョッパ制御界磁添加励磁制御⇒VVVFインバータ制御

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