可変電圧可変周波数制御

可変電圧可変周波数制御英語Variable voltage variable frequency controlとは、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制御する手法である。

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を英語に直訳した語 の頭文字をとって、VVVF制御と呼ぶが、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・エアコンなどに使われる。

なお、概要の項で示される通りVVVFは和製英語であり、英語圏では主にVFDなどと呼称もしくは記述されることが多い。

半導体素子を用いた直流を交流に変換する装置は → インバータ
直流電化区間で運転される鉄道車両の補助電源装置は → 静止形インバータ
電圧-周波数比例モータ制御は → VVVFインバータ制御
鉄道関係は → 電気車の速度制御をそれぞれ参照の事。

1. 概要
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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、可変電圧定周波数制御、定電圧可変周波数制御がある。

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、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。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、自動車、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もの、後者がパルス幅を変えて交流波形を生成する方式でありPAMは電圧を昇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サイリスタ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 などが該当する。東日本旅客鉄道の209系920番台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。

一つのインバータで複数の非同期モーター 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 などの同期モーター 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 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。

2. 沿革
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VVVF制御は、交流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。しかし、回転速度が電源の周波数に依存するという特性があったため、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しないと同期がずれる『脱調』を起こし、停止する。

3. 使用される電動機
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主としてかご形三相誘導電動機や巻線形三相誘導電動機の制御に使用される。2000年代後半に入り、駆動周波数と回転周波数がほぼ正確に一致しオープンループ制御が可能となる高効率な永久磁石同期電動機や大容量な電磁石同期電動機が徐々に使用されつつある。ただしこれらは電動機1つにつき主制御器1台が必要な個別制御でなければ正常に駆動できず、重量、設置面積、価格、主制御器の保守などの面で課題が残る。対する誘導電動機は2つ以上の電動機を一括制御することも1つの電動機を個別に制御することもできる。

同期電動機の採用例を以下に挙げる。

フランス国鉄  TGV - 前期型は電磁石同期電動機を採用していたが、後期型ではかご形三相誘導電動機に替わっている。
東京地下鉄 02系電車- 同01系電車での試験の後、02系の電機子チョッパ制御車を対象に永久磁石同期電動機を用いて更新改造を始めている。また、同社の16000系電車は永久磁石同期電動機を採用して新製・量産された日本初の例である。
JR東日本E331系電車 - E993系で採用された駆動方式、ダイレクトドライブとの組み合わせで量産先行車として製造したが、ダイレクトドライブ方式が他の系列に波及することなく2011年1月に運用を離脱し、そのまま2014年4月に廃車され現存しない。
揚水発電における揚水用電動機の始動。なお揚水用電動機は発電時は同期発電機として使用される。単相誘導電動機は以下の点で可変速運転、特に低周波数での運転に適さないこと、また同出力であれば三相誘導電動機の方が安価であり費用面でも利点がないことから、基本的には使用されない。

一定回転数以下になると、始動用スタータコイルを制御する遠心力スイッチが動作しなくなり始動動作を繰り返す。
コンデンサ始動式では低電圧時十分な進相電流を流すことができず、ある条件下で突然始動するか過電流で異常停止する。もっとも、単相誘導電動機を用いた既設機器を可変速運転したい需要があることも事実であり、あまり低い回転数で使えないことを条件に、高回転もしくは常時回転が要求されるファン、ポンプ用途に限定して単相電源-単相出力のインバータが製造販売されている。

4. スイッチング素子
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thumb|right|200px|整流後の直流から三相交流を作り出す回路 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、従来のケイ素より高耐圧でかつ高速動作も可能、高温下でも使用でき機器を小型化できる炭化ケイ素を一部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に比べゲート - ソース容量が低くなる ことから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編成や同701系、西日本旅客鉄道207系0番台が挙げられる。

5. 制御方式
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dupe=VVVFインバータ制御

5.1. モーター特性に合わせた制御
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VVVFインバータ制御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合わせ、その回転数・周波数にほぼ比例した電圧を加える制御方式である。

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。商用周波数での起動の困難のために無用に大出力の電動機を採用していた。

しかし、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て定常運転出力にあった小型のモータ－を採用できるようになった。

今、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 は磁束の変化率×巻数 //N// である。すなわち、 鎖交磁束を

････とする時、

の時間微分は、 であるから、 誘起電圧eは

となって、一定磁束なら誘起起電力//e//は回転数 //n// ,周波数 //f// に比例することが分かる。「//e/f// が一定」とも言える。

モーターの端子電圧 = 供給電圧はこれ：誘起起電力e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インバータ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でもインバータ方式が主流になりつつある。

5.2. 電圧/周波数  一定制御
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設定されているシークエンスで電圧/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。

5.3. トルクベクトル制御 ベクトル制御}}
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回転部に回転数センサ・回転子位置センサを取り付け、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

マシニングセンタ・押出機・巻取機・鉄道車両・エレベータなど、大きな始動トルクと正確な制御が必要な負荷用。

5.4. センサレス・トルクベクトル制御
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回転部のセンサを省略し、代わりに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

センサの保守が必要ない。
鉄道車両等の、電動機の外形寸法に制約のある用途では、センサがなくなった分だけ大型の電動機を用いることができ、大出力化が可能になる。
トルク・回転数推定のための、高速な演算回路が必要である。
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。
その後、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。

6. 日本の鉄道におけるVVVFインバータの歴史
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6.1. 歴史
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世界で初めて営業運転に投入されたインバータ制御車両は、電車では1973年に就役した、米Cleveland Transit System150型電車 "Airporter"のうち3両、機関車では1979年に就役した西ドイツ国鉄120型電気機関車と言われている。この120型電気機関車は、電圧調整はチョッパ制御で行う電流型インバータ制御であり、「VVVF」ではない。誤表記がよく見られ、注意が必要である。 この電流型インバータは周波数の制御をするだけでよく、主にヨーロッパで普及した。

6.1.1. 国鉄・JRにおける取り組み
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旧日本国有鉄道における無整流子電動機駆動方式の開発は、1972年12月にクモヤ791形交流試験電車を用いて、同期電動機ととサイクロコンバータを用いての試験が実施されている。ただし、今日の自励式電圧形PWM-VVVFインバータとは異なり、サイリスタによる他励式に近い電流形サイクロコンバータによるものであって、回路構成や制御方法は大きく異なる。試験にあたっては勾配条件などを考慮して日豊本線の柳ヶ浦 - 杵築間約30kmの区間で行われた。日立製作所と富士電機の機器が使用され、試験結果は良好であったが機器の大きさや重量面において大きな問題が残された。

その後、1979年から翌1980年にかけて青函トンネル用電気機関車を想定した悪条件下における信頼性確保や保守性向上のため、サイリスタコンバータとPWMインバータ、大出力の650kW出力誘導電動機2台が試作製造され、試験台試験を実施している。装置は日立がインバータ装置と全体まとめ、三菱が変圧器と電源側変換装置・東芝が主電動機を担当した3社共同によるもので、素子には逆導通サイリスタが採用された。試験結果は良好であったが、青函トンネル開業時期の遅れと国鉄の財政悪化などから採用は見送られた。ここまでの試験は無整流子電動機への取り組みであり、厳密にはVVVFインバータ制御とは直接関係しない。

1984年には将来の北陸新幹線など、整備新幹線への採用を想定したVVVFインバータ制御の試験として、在来線用のGTOサイリスタ素子を使用したVVVFインバータ装置と誘導電動機など機器一式を用意し、試験台試験を実施した。この試験結果を受け、実際に装置一式を車両に艤装して走行試験を実施することとなった。

試験車には廃車を控えた101系1両を使用し、装置一式をクモハ101-60の床上に艤装し、1985年12月から1986年1月までの期間で2回に分けて試験を実施した。試験車は国鉄浜松工場で構内走行試験後、東海道本線静岡 - 豊橋間で本線走行試験を実施した。Aタイプ主電動機は構内走行が12月11 - 16日、本線走行は17 - 19日、Mタイプ主電動機は構内走行が1月10 - 16日、本線走行は20 - 22日に実施された。

構内走行試験
クモハ101-60 + モハ100-35 + クハ100 本線走行試験
クモハ101-60 + モハ100-35 + クモヤ145試験を2回に分けたのは、国鉄では在来線用の通勤形電車から高速走行をする新幹線車両まで多様な車両が必要なことから、主電動機には特性の異なる4種類8台の誘導電動機が用意され、これらの試験を実施するためであった。誘導電動機はMT993形、MT993A形、MT993B形、MT993C形の4種類があり、大きく分けて電気装荷重視形のAタイプ2種類と、磁気装荷重視形のMタイプ2種類を使用した。

その後、国鉄分割民営化を控えた1986年秋に落成した207系900番台でVVVFインバータ制御を正式採用した試作車が完成した。その207系900番台はJR東日本に引き継がれたが、東日本を含むJR各社でのVVVFインバータ制御の本格的な採用は私鉄にやや遅れ、1990年以降となる。

JR各社のVVVFインバータ制御量産形式の第一号
北海道旅客鉄道
785系
東日本旅客鉄道
209系
東海旅客鉄道
383系
西日本旅客鉄道
207系
四国旅客鉄道
7000系
九州旅客鉄道
813系
日本貨物鉄道
EF200形新幹線では、1990年に東海道新幹線の300系の試作車9000番台が作られ、1992年から量産が開始された。その後に登場した500系やE1系、E2系、E3系以降ではVVVFインバータ制御へ移行して、2013年に200系電車が引退したことにより、新幹線車両は全て民営化後に登場したVVVFインバータ車となった。

6.1.2. 私鉄・公営交通における取り組み
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一方で、旧国鉄での開発と並行し、各電機企業で1975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、東京芝浦電気、三菱電機が下記のとおり相次いで現車試験を実施している。

1978年11月、帝都高速度交通営団千代田線において6000系1次試作車に日立製作所製のVVVFインバータ装置と130kWのかご形三相誘導電動機を搭載した現車走行試験が実施された。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。

1980年5月から6月、東洋電機製造が相鉄6000系電車にVVVFインバータ装置を搭載して、かしわ台工機所構内ならびに本線かしわ台 - 相模大塚間で終電後に深夜走行試験を実施した。1次試作品の機器は客室内に艤装されたもので、室内を大きく占有するほどのものであり、実用化にはほど遠いものであった。相模鉄道で走行試験を行ったのは、当時東洋電機製造のVVVFインバータ装置の開発は相鉄相模大塚駅近くの相模工場で行っており、工場の近くに相鉄かしわ台工機所があったことが理由である。

同年11月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インバータ装置を搭載して構内走行試験が実施されている。試験に際しては、台車もインバーター駆動用として新たに開発されたKH-105台車に交換された。KH-105台車は軸箱支持にロールゴム式、車体支持をボルスタレス式、けん引装置として一本リンク式を採用した軽量台車で、その構造の多くが後の国鉄ボルスタレス振り子台車TR908、TR908Aに反映された。駆動装置は、中空軸たわみ継手式平行カルダンととWN継手式平行カルダンを各1台車づつ採用し、特性比較を行った。

1981年9月から翌1982年4月にかけて、大阪市交通局100形106号車にGTOサイリスタ素子を使用したVVVFインバータ装置と160kW主電動機2台を装架して、森之宮検車場構内ならびに中央線において終電後に深夜走行試験が実施された。これは、当時大阪市交通局が導入を想定した小型地下鉄向けのシステムとして開発・試験を行ったものである。なお、同時に107号車が抵抗制御車のまま牽引車として使用された。装置は東京芝浦電気・日立製作所・三菱電機の順番で、1組ずつ試験が実施されたもので、最初に東京芝浦電気製の装置で行われた走行試験は、世界初のGTO-VVVFインバータ制御の本線走行である。

1982年5月中旬、東洋電機製造が相模鉄道6000系を使用して再度のVVVFインバータ制御の深夜走行試験を実施、そして9月から10月に阪急電鉄1600系1601号車にこのVVVFインバータ装置を搭載して、車庫内ならびに本線上で走行試験が実施された。相模鉄道での試験は、1次試作時から大幅に改良されたもので、床下に艤装できるほど小型化された。阪急電鉄の試験では、国内では架線電圧1500Vにおいて初めて110km/hの高速運転、100km/hからの回生ブレーキ走行となった。

6.1.3. 実用化
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営業用車両としては、1982年8月2日に投入された熊本市交通局8200形電車が日本初となる。このインバータは逆導通サイリスタを用いたもので、ほかに国内の営業用車両で用いたのは札幌市交通局8500形電車だけである。最初に路面電車へ採用されたのは、架線電圧が低く高耐圧・高電流の素子が不要であること、軌道回路が不要で誘導障害のおそれがないことがあげられる。

一般的なゲートターンオフサイリスタ素子による初のVVVFインバータ搭載の新製車両は、1984年3月28日に落成した大阪市交通局20系電車となる。しかし、日本国内の高速鉄道として初めての実用化であり、車両性能や誘導障害などの試験が長引いたため、営業運転開始は12月24日まで遅れた。このため、営業開始日順となる下表では4番目にある。

架線電圧1,500Vでの日本初のVVVFインバータ制御車両は東急6000系電車 のVVVFインバータ改造車である。1983年にデハ6202に日立製作所製2,500V耐圧型GTOサイリスタ素子VVVFインバータ2台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サイリスタ素子VVVFインバータを同時に改造した。

引き続いて1984年7月に東大阪生駒電鉄7000系試作車が落成、さらに直流1,500V電化用の新製車両では日本初となる近鉄1250系電車1251編成の製造が続いた。

本格的な量産車両は、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、東大阪生駒電鉄→近鉄7000系電車あたりからで、これをきっかけに多くの私鉄や地下鉄での試験導入を経て本格的な導入が開始された。1995年に登場した阪神5500系電車をもって、大手私鉄の全てがVVVFインバータ制御車を保有することとなった。

6.1.4. 発展
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IGBT素子を使用したインバータ搭載車両は、1992年の営団06系・07系電車が初めてとなる。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。

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。営団地下鉄6000系や東急初代7000系→7700系など、従来の走行機器をVVVFインバータに更新したり、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。一方で実用化から20-30年以上が経過したことから、初期の採用車では半導体素子の経年劣化による制御装置のASSY交換が行われたり、JR東日本209系電車やE217系電車、東京都交通局5300形電車などのように後継車への置き換えが始まった車両も発生している。新幹線の旅客車両で初期のGTOサイリスタを使用した車両は山陽新幹線の500系を除いて全て廃車となっている。特殊な例としては複数の形式の間での編成替えにより、古い形式の走行機器を新しい車両に合わせたものに更新する事例がある。京阪10000系電車の7両化で車両を供出した7200系、9000系がこれに該当する。一方で山陽電気鉄道の5000系・5030系のように、従来の直流電動機を使用する制御装置とVVVFインバータ装置が1つの編成で混在する例もある。

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、JRグループでも2019年9月にJR四国が全営業電車のVVVF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インバータが開発・実用化され、従来のIGBT素子よりも小型軽量化、より省電力化されたVVVF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、新幹線N700S系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を使用した車両の更新工事が行われており、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形更新車など改造・更新が進められている。

6.1.5. 初期のVVVF制御車両一覧
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日本初の熊本市交通局8200形電車から1986年までに登場のVVVF制御車両一覧。

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。

6.2. 利点
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従来の抵抗制御やチョッパ制御に比べて、エネルギー使用効率の向上が可能。一例として、JR東日本209系電車では、「103系電車に比べ47%の消費電力」と喧伝されている。
回転数の制御が事実上無段階で可能であるため、加速・減速時の衝動を軽減できる。
従来の制御方式と比較して細やかなトルク制御が可能であり、粘着力の向上とそれによる動力軸数の減少、あるいは実効出力の高い交流電動機の使用と相まって加減速性能、更には高速性能の向上が可能である。
したがって、電動車と付随車の比率を小さくできるため、電動車1両あたりの製造費用が若干上昇したとしても、編成全体では低価格化が可能である。
電動車比率の低下は、点検作業の容易化にもつながる。
なお実用化初期の段階では変調の度に軽微なトルク変動が発生する事態が多かったため、粘着性能が電機子チョッパ制御より劣るという評価も見られた。実際にこの段階で製造された装置を使用している車両は、降雨時などに空転・滑走が起きやすい。
実際の回転数が目標回転数から外れた場合にはトルクが低下するという誘導電動機の特徴から、空転時の再粘着性にも優れる。
全体的な点検整備作業の軽減
誘導電動機は直流電動機のような消耗品のブラシがないため、定期的なブラシの交換が不要。
前述のようにMT比の低下による全体の点検整備作業の軽減。
非常ブレーキ使用時以外は、高速域から低速域までの減速を電気ブレーキ・回生ブレーキ優先で行えるようになり、ブレーキパッド・ライニングの交換周期を大幅に延長でき、点検整備作業の費用が低減できる。
三菱電機の技術では、回転磁界を逆転させることで停止寸前のブレーキ力を得ており、純電気ブレーキという商品名で呼んでいる。
日立製作所の技術では、電動機に直流電流を流すことで停止寸前のブレーキ力を得ており、全電気ブレーキという商品名で呼んでいる。
またVVVFやVVCFでは、短時間であれば連続定格出力の150%といった過負荷での使用も可能であり、鉄道用主電動機のような間欠運転が前提の用途であれば、同サイズの電動機でさらなる大出力化が可能である。

6.3. 欠点
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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。。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、問題のな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を製造、または在来車を改造して試験車とするなどして、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 であることが挙げられる。詳細は誘導障害を参照のこと。
VVVFインバータ装置搭載の車両に乗車しながらAMラジオを聴取すると、ラジオにインバータ音そのままのノイズが盛大に入ることもある。
これを補償するため、運行地域のラジオ放送の電波を増幅して室内に発信するアンテナ装置を搭載した車輌が存在する。
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。その後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。
VVVF制御では、インバータの設定とモーターを含めた従動側の応答性が一致していない場合、トルクの不安定化や発振による異音の発生などが起きることがあり、使いこなすために高い技術力を求められる。
数多くの半導体を使用しているため、装置の製造から年月が経つと交換部品の製造終了などで保守部品が手に入りにくくなる。このため経年劣化による動作不良などといった故障が目立つようになると、インバータ装置の全体または一部交換しなければいけなくなる。2004年頃から初期のRCT素子やGTO素子を使用した装置がIGBT素子やMOSFET素子を使用した装置などへ更新される例が多くなっている。この場合は技術の進歩による利点も得られる。また、鉄道事業者と製造企業間において、保守部品が手に入りにくくなる事態を見越して最初から将来のインバータ装置交換も条項に入れた納入契約が結ばれる場合もある。また、阪神電気鉄道など、GTO素子が生産終了になる際に現車と同じ装置を購入し、予備部品確保を行う例もある。

6.4. インバータの駆動音
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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。車両発進時には、「ピーー」というような音や「ビーー」や「キーーン」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。これらの音は主にモーターから発せられ、インバータ装置自体からも「ジーー」とモーター音に合わせてスイッチング音が聞こえる場合がある。

これらの音は多種多様であり、同じ製造企業・機種のインバータを搭載していても中のプログラムや設定が異なるとまったく違う音を立てる。GTOでは近鉄のほとんどのGTO-VVVFインバータ車やJR東日本901系電車B編成、小田急1000形電車や新京成電鉄8800形電車などが、IGBTではJR西日本223系2000番台1次車の東芝製制御装置車や223系1000番台体質改善車、また近鉄50000系「しまかぜ」や22600系「Ace」のようにプログラムの更新により音が以前と全く変わった車両も存在する。

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を搭載した車両の一部では、音階のような音が主電動機とインバータ制御装置より発せられる。このことから、このタイプのインバータ制御装置を「ドレミファインバータ」、搭載した車両を「歌う電車」と呼ぶことがある。日本ではJR東日本E501系電車や京急2100形電車・新1000形電車、日本国外では韓国鉄道8200形電気機関車などが実例となっている。

6.5. 備考
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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、一旦直流に変換を行ってから、VVVFインバータを用いる制御を行う必要がある。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。

7. 主なメーカー
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三菱電機
日立製作所
東芝
東洋電機製造
富士電機
安川電機
ボンバルディア
シーメンス
アルストム
アドトランツ
ABB
CAF
AEG
キーペ・エレクトリック
シュコダ・エレクトリック
セゲレック
Holec
UTDC
フォイト
現代ロテム
株洲中車時代電気
宇進産電
タウォンシス他

8. 脚注
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9. 参考文献
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交友社 『鉄道ファン』1986年5月号「国鉄のVVVF車両開発」pp.   64 – 66
電気車研究会『鉄道ピクトリアル』1986年8月号特集「インバータ制御電車」
東洋電機製造『東洋電機七十五年史』
レールアンドテック出版『インバータ制御電車開発の物語』
日本鉄道サイバネティクス協議会『サイバネティクス』2006年1月号技術情報「創生期における日立のインバータ開発」

10. 関連項目
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パワーエレクトロニクス
電源回路
チョッパ制御
サイリスタ位相制御
インバータ→インバータ一般
VVVFインバータ制御→電圧-周波数比例モータ制御
電気車の速度制御
三相交流
磁励音
赤い電車  - 日本のロックバンド、くるりのシングル。曲自体が電車をモチーフに作られており、曲中にVVVFの音が取り入れられている。