電気車の速度制御 制御方式の変遷と各制御方式の詳説
電機子チョッパ制御が地下鉄車輌を中心に用いられたのに対し、これらの手法は高速運転を行う郊外電車や優等列車に用いられた。高速電車においては、界磁制御領域が広いため抵抗損失の影響は軽微である一方、回生電力は速度の二乗に比例するため、高速域での回生制動性能に優れる本方式が一般に有利となる。
交流電動機を、その特性に合わせて任意の速度、回転数で動作させるために、（静止）インバータにより任意の周波数と電圧を発生させる方式を一般に「インバータ方式」というが、鉄道業界関係ではそれを「電圧-周波数比例制御」として特に「VVVFインバータ方式」、あるいは「VVVF方式=可変電圧可変周波数制御方式」と呼んでいる。VVVFという単語は、可変電圧可変周波数を直訳した和製英語である。
交流の周波数（同期速度）を追って回る交流モータを使う場合、従前は任意周波数の電源がなかなか得られず、商用周波数 (50Hz、60Hz) 固定の電源で起動させるため、任意速度での運転ができず商用周波数での同期速度付近でのみ運転可能で、起動トルクが小さかったり、効率を落としたり、定常運転時は大出力交流モータを軽負荷で使っていた。そうした経過で従前は、その動作特性も、取り扱い法も商用周波数固定でのものが広く知られているだけで、回転数、周波数特性はほとんど記述が無く知られていなかった。
同期速度とは回転磁界の速度で、電機子構造が2・P極の場合、周波数f/Pとなる。小型機に一般的な4極構造ではf/(4/2) が同期速度。60Hzであれば2極で60rps（毎秒回転数）、4極で30rps、6極で20rpsが同期速度である。60を掛ける記述は秒速-分速単位換算のrpm（毎分回転数）表示である。
トルクの周波数特性としては、（電圧V/周波数f）2 に比例し、さらに誘導電動機では、停動トルクより微少な場合はスベリ周波数ｆs に比例する（一般的な「すべり率S」ではなく「すべり周波数ｆs 」であることに注意）。同期電動機では電機子磁界と回転子磁界の角度δに関して sin(δ/2) に比例する。これを式で表現すれば、
ここに、は比例定数、Iは電機子電流、は鎖交総磁束、Vは電圧、fは電源周波数、はすべり周波数である。すなわち V/f を一定にして（=電圧と周波数を比例させて）ゼロから徐々に増やして起動すればよく、周波数に応じた任意の速度での運転ができる。
近年の電力用半導体の進歩により、任意周波数、任意電圧の交流電力を生成するインバータ（直流 - 交流変換器）が得られるようになり、交流モータの特性に合わせて、電機子誘起起電力+インピーダンス降下の電圧を供給して駆動することで任意の速度で運転できるようになった。電機子誘導起電力は磁界が一定であれば回転数、すなわち周波数に比例するから、供給電圧／周波数をほぼ一定にして速度制御することがVVVFインバータ制御の基本である。
鉄道車両ではこの電圧・周波数比例領域（V/f一定領域）を特に「VVVF領域（=可変電圧可変周波数領域）」と呼んでいる。インバータの最大電圧以降の高速領域は電圧一定で周波数を上げるので「CVVF領域（=定電圧可変周波数領域）」と呼ぶが、CVVF領域のうち、電流一定で加速を続ける領域は、誘導電動機であればスベリ周波数を増やして加速するが供給電力としては一定（=電圧一定×電流一定）なので「定電力領域」と呼び、トルクは回転速度に反比例する。停動トルク（脱出トルク）に近づくとスベリは増やせなくなり周波数のみを増やす「特性領域」となり、トルクは回転速度の2乗に反比例する。これは、V/f一定・すべり周波数制御と呼ばれている。
近年では更に瞬時変化の過渡応答特性の改善のためベクトル制御を加えている。空転や滑走など急激な負荷の変化に対しスベリ周波数制御だけで追従制御したのでは整定時間が大きく掛かり、加速、減速が鈍くなってしまう。これを高速演算で最適位置に駆動磁界を作ることで応答遅延を防ぐ過渡状態収束制御である。
同期電動機の場合は、すべりはゼロで、回転磁界と回転子磁界の遅れ角δの半角の正弦に比例したトルクを生ずる。最大電圧到達以降はそのままでは電動機誘起電圧が速度に比例して過電圧となり、直流励磁型同期電動機では速度に反比例で励磁磁束を減らす調整が求められる。
永久磁石同期電動機 (PMSM) の場合は、電機子反作用(直軸反作用)を利用して永久磁石による鎖交磁束を減じることで、誘起電圧の上昇が抑制される(弱め磁束制御)。PMSMでは、電機子反作用による進み電流でリラクタンストルクが増加するため、誘導モーターと同様にCVVF領域での定出力運転が可能となる。
なおIPMSMでは、必要に応じて惰行運転中にも弱め磁束制御が行われる。この制御は同機調相機における減磁作用と同じ運転状態であり、力率が0％となる。そのため、モーター電流の増減に関わらず力行・制動トルクは一切発生しない。
直流電動機制御との比較でいえば、「電機子誘導起電力（=逆起電力）+内部抵抗降下」を直流電動機に加えて起動させるのが抵抗制御やチョッパ制御の基本だから、VVVFインバータ制御はその制御に周波数と位相が加わるだけで基本は同様である。「定電力領域」と「特性領域」についても直流電動機の「弱界磁領域=定電力領域」「特性領域」と変わらない。またVVVF領域も定トルクに制御すれば抵抗制御直流電動機での「定トルク領域」と同様である。
鉄道では折れ点を合わせてVVVFインバータ制御車と抵抗制御車を併結運転している例もある。
インバータ制御の対象となる鉄道用交流モータは、かご形誘導電動機が一般的だが、TGVなどでは電磁石同期電動機が用いられていることもあった（新しい車両では誘導電動機が採用されている）。ともに回転磁界を直に作れる三相交流式である。誘導電動機のすべり率Sは回転子での電力損割合なので、定スベリ周波数制御をすると低速回転ほど損失率が増え効率が下がるので、低速回転になる直接駆動モーター (DDM) ではスベリ回転のない同期電動機が選ばれることが多い。しかしながら低速回転電動機のため重量が嵩み、新幹線保守の経験から「線路損傷が軸重の4乗と速度の2乗に比例する」ことが分かり、回生制動技術も発達したこともあって、JR東日本E993系電車（試験電車）、JR東日本E331系電車（量産先行車）1編成（=7両編成×2：14両）と試用車両に留まり、量産車は作られないまま一般方式の次世代車であるJR東日本E233系電車が投入された。
交流電化区間と直流電化区間を直通する列車は、当初はその境界で機関車を付け替え両区間直通していた。北陸本線米原駅 - 田村駅間では当初、交流直流の間を蒸気機関車牽引で繋ぐ間接切替方式がとられたほか、黒磯駅などでは駅構内で架線への給電を切り換える地上切替方式がとられたが、列車の高速化要求に伴い、交直両区間に電流が通らないデッドセクションを設けてその区間を走行中に車上切替方式に移行し、これを直通できる「交直両用」車両が開発された。
その構造は、基本的には直流車両に直流変電設備を乗せて、切り換えて使うものであり、走行特性としては直流車両に準じる。
直流用の新性能電車の構造を基本構造としてトランスとシリコン整流器を搭載した車両が常磐線と関門トンネル運用を含む鹿児島本線に投入された。当初は電源周波数毎に別形式として投入されたが、長距離用車両から50/60Hz両周波数共用形式となった。基本的な走行装置は低い周波数の50Hzに対応していれば60Hz兼用にでき、周辺装置の共用化で3電源化したことで大阪駅 - 青森駅間特急「白鳥」などが運行された。シリコン整流器では回生ブレーキが不可能だが、当初の新性能電車は発電ブレーキ方式のみ採用していたので支障はなかった。
ところが、VVVFインバータ制御車になると、整流部に可逆性のある (PWM) コンバータを採用して、高力率で広範に回生制動を可能にして効率改善を図ると共に、交流専用車両に匹敵する高い粘着力を利用でき、高加速度、高減速度、そして編成の中に組み入れられる電動車を減らせるようになった。