可変電圧可変周波数制御

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ほかに、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最大値が架線電圧に達する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。静止形インバータ(SIV)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も言える。
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消費される。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。VVVFは和製英語である。台湾や韓国などでは、日本企業が名付けた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、トロリーバス）、自動車（電気自動車、ハイブリッドカー）、エレベーターといった輸送用機器やファン、ポンプ、空調設備、圧延機などさまざまな産業用機器、さらには家庭用電気機械器具（家庭用エアコン、冷蔵庫、洗濯機他）などで広く搭載され活用している。
「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は装置の構造がやや複雑になるため今は鉄道車両では採用および搭載されていない。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。
大電力のVVVF制御に多用される方式である、「3レベルインバータ」は耐電圧の低い素子を使用するために電源の中間電圧レベルを供給する回路方式であるが、動作としてはPWMである。これに対して直流電源電圧をオン－オフする元々の単純な方式を「2レベルインバータ」と言う。高調波損失を抑えるという意味ではマルチレベルインバータの方が良いものの、高電圧用の半導体素子の開発に伴い2レベルインバータに回帰し始めた。
回生制動時には電力の通過方向が逆になり、実質コンバータとしての機能も持ちかねている。
交流での回生制動を可能にする交直変換回路として整流部にPWMコンバータが用いられるようになったが、その理由は力行・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。
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の登場以前では2レベルがほとんどであった。例外として、黎明期のGTO素子は高耐圧対応の部品が無かったために敢えて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サイリスタに代わり、冷却装置に取付ける際の絶縁を考慮しなくて済む低耐圧モジュール型GTOを使用して、制御装置の諸費用削減や整備性の向上を図っている。
一つのインバーターで複数の非同期モーター (IM)を駆動することが行われているため、制御装置とモーターの関係が#C#Mで表記されている。例えば1つのインバータを持つ制御装置が4つの非同期モーターを駆動する場合、1C4Mとなる。永久磁石同期モーター (PMSM)などの同期モーター (SM)の場合は、一つのモーター毎に一つのインバータが必要となるため個別駆動 (1C1M)のみとなるが、4つのインバータを持ち4つの同期モーターを制御する制御装置も登場しており、これが1C4Mと表記されることもある。なお、非同期モーターの場合であってもインバーターで空転再粘着制御が行われているため、粘着利用率だけを見る場合、軸毎に制御できる個別駆動の方が性能的に有利とされる。

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、保守費用が非常に安く、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（回転数）が電源の周波数に依存するという欠点があったため、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、交流電動機の連続的な速度制御を実現した。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・高耐圧・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。
後に、汎用インバータの製品価格が安くなり、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、同期モータであるため『すべり』がなく、正確に回転子の位置を調整（フィードバック）しないと同期がずれる『脱調』を起こし、停止する。

スイッチング素子

可変電圧可変周波数制御では、サイリスタやトランジスタといったスイッチング素子6個からなるブリッジ回路を用いて電流のON/OFFを繰り返し、キャリア三角波と基準電圧波形を比較してスイッチング素子のON/OFFを繰り返し、パルス波によるPWM（Pulse Width Modulation）方式により、位相差が120度の三相交流を作り出すことで、誘導電動機の固定子巻線に、6パターンの電力が供給される。電圧を可変するにはパルス波の幅を変化させ、周波数を変化させるにはスイッチング周期を変えることで行う。パルス波によって作られる制御波形には、1つのパルス波によって交流の正弦波に近い波形を作り出す2レベル制御波形、1つのパルス波の上にもう1つのパルス波を上積して2段階のパルス波にすることにより、波形をより正弦波に近い形を作り出す3レベル制御波形がある。
電気鉄道の主電動機駆動用のスイッチング素子としては初期には逆導通サイリスタ（RCT）が用いられていたが1990年代初頭からはスイッチング素子の駆動回路が簡素化できるゲートターンオフサイリスタ（GTOサイリスタ）が用いられるようになった。さらに1990年代終盤以降はスイッチング速度が速い絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)が主として用いられている。IGBTの採用により、より正弦波に近い出力が得られ、IGBTを2段直列に接続することで、電圧を2段階で加圧して、2段階のパルス波を発生させることにより、さらにより正弦波に近い出力を得ることができる3レベルインバータが開発され、電力変換器の低損失化や波形ひずみの軽減ができるようになった。また、キャリア周波数を人間にとって耳障りな周波数よりも高い領域にすることでインバータ装置や電動機の低騒音化が実現できるようになった。2010年代以降は、従来のケイ素（Si）より絶縁破壊電圧が高く機器を小型化できる炭化ケイ素(SiC)を一部(ショットキーバリアダイオード)に使用したハイブリッド型ものや、さらにはSiCを全面的に用いたMOSFETが導入されつつある。SiCとはゲルマニウムやシリコンと同じ半導体の素材であって、当然SiC-IGBTなどもあり得る。従ってIGBTなどの半導体素子そのものを指すには不適切であるが、SiCというスイッチング素子があるかのような表現が広く用いられている。
SiC-MOSFETはSi-IGBTに比べスイッチング損失が低く省電力である。損失が減って発熱が減ることで、回生ブレーキの使える範囲も広くなる。また、SiC-MOSFETはスイッチング速度が速く、時間当たり多くのオンオフが可能であり、これにより高速域でも高いパルスモードを使うことができ、モーターの高調波損失を低く抑えることが可能となる。
産業用や家電用のインバータに用いられることが多い素子であるバイポーラトランジスタは、電気鉄道用としては耐圧が不足することからほとんど使用されていない。実績を上げると、バイポーラトランジスタの一種であるパワートランジスタを利用した電車として、JR東日本901系A編成（後のJR東日本209系900番台）や同701系、JR西日本207系0番台が挙げられる。

歴史

世界で初めて営業運転に投入されたVVVFインバータ制御車両は、電車では1977年に就役したヘルシンキ地下鉄M100系電車、機関車では1979年に就役した西ドイツ国鉄（現・ドイツ鉄道）120型電気機関車と言われている。当時はVVVFインバータ制御がほとんど普及していなかったが、1990年代より採用が拡大した。

私鉄・公営交通における取り組み

一方で、旧国鉄での開発と並行し、各電機企業で1975年（昭和50年）頃から大手私鉄・公営交通と手を組んだ開発が盛んとなり、特に日立製作所、東洋電機製造、三菱電機、東芝が下記のとおり相次いで現車試験を実施している。
1978年（昭和53年）11月に、帝都高速度交通営団（現・東京地下鉄 = 東京メトロ）千代田線において6000系1次試作車に日立製作所製のVVVFインバータ装置（逆導通サイリスタ(RCT)素子を使用）と130kW出力のかご形三相誘導電動機を搭載した現車試験が実施された。これが日本国内における最初のVVVFインバータ装置を搭載しての走行試験である。
その後、1980年（昭和55年）春には日立製作所水戸工場で東京急行電鉄から譲渡されたデハ3550形にVVVFインバータ装置（逆導通サイリスタ(RCT)素子を使用）を搭載して構内走行試験が実施されている。また、同年6月には東洋電機製造が相模鉄道の6000系にVVVFインバータ装置（逆導通サイリスタ(RCT)素子を使用）を搭載して同線で現車試験を実施した。
また、1981年（昭和56年）7月から翌1982年（昭和57年）4月にかけて、大阪市交通局100形に世界で初めてGTOサイリスタを使用したVVVFインバータ装置の試験が実施された。企業は三菱・日立・東芝3社の装置が使用された。
日本でただ一つの富士電機製VVVFインバータ装置搭載車が兵庫県を走る山陽5030系、(リニューアル車も含む）で使われている

実用化

営業用車両としては、1982年（昭和57年）に熊本市交通局8200形電車が日本初となる（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（昭和59年）に登場した大阪市営地下鉄の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）。
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。
新車車輌としては1984年（昭和59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、本格的な量産車輌は、1986年の新京成電鉄8800形電車や東急9000系電車、近鉄3200系電車、近鉄7000系電車（1987年のローレル賞受賞及び鉄道車両初のグッドデザイン賞受賞）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年の営団（現：東京メトロ）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(PTr)素子を使用したインバータが採用されている。
1990年代以降、日本での新造電車は路面電車から新幹線に至るまでVVVFインバータ制御が主体となった。東京メトロ6000系電車や小田急8000形電車など、既存のチョッパ・抵抗制御車の電気機器をVVVFインバータに交換改造したり、果ては伊予鉄道3000系電車やえちぜん鉄道MC7000形、名古屋市交通局5000形電車のように中古車両の譲渡に際して、電気機器をVVVFインバータに交換改造した例も出現している。一方、実用初期に製作された車両は、新造から20年以上経過したことから、半導体素子の経年劣化による制御装置の交換や、一部には廃車・解体された車両も出ている。
これらの改造や新車の導入により、営業用車両が全てVVVFインバータ制御になった鉄道事業者も出てきており、2012年（平成24年）9月には京王電鉄が大手私鉄初となる全営業車両のVVVFインバータ制御統一を達成している。
2010年代では、SiCをダイオードやトランジスタに使用したVVVFが開発・実用化され、従来のIGBTよりもコンパクトかつ、より省電力化されたインバータが登場している。新製車ではJR東日本E235系電車に初導入されたのを皮切りに、神戸電鉄6500系電車やJR西日本323系電車、西鉄9000形電車で採用されたほか、既存車やPTr-VVVF車、さらには初期のGTOを使用した車両の駆動装置の更新にも使用され、東京メトロ05系北綾瀬支線用改造車、小田急1000形更新車、京都市交通局10系更新車、新京成電鉄8800形更新車、北神急行電鉄7000系更新車（7000-A系）、西武6000系更新車、JR九州811系リニューアル車で使用された。その後も採用例が増加している。

備考

現在、電車用の直接形交流電力変換器は大電力の製品が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、一旦直流に変換（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。小電力であれば「マトリクスコンバータ」などとして製品化されている。