可変電圧可変周波数制御

**可変電圧可変周波数制御**（かへんでんあつかへんしゅうはすうせいぎょ、英語: VFD(Variable voltage Drive) ）通称Variable voltage variable frequency control（略称VVVF）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、その出力の実効電圧と周波数を任意に制御する手法である。誘導電動機・同期電動機の回転数は基本的に周波数と極数で決まるため、広範囲に回転速度（回転数）を変化させるには周波数を可変にするしかなく、パワーエレクトロニクスの進歩により一般化した。

日本では、鉄道車両の交流電動機駆動方式として、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**（ブイブイブイエフせいぎょ、もしくは、スリーブイエフせいぎょ、トリプルブイエフ制御）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（電車などでは**Traction inverter**）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電車の補助電源装置（SIV）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（技術解説）は → 電気車の速度制御
の各記事をそれぞれ参照のこと。

## 概要
VVVF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。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。

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。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全般を指すことがある。

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。

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が、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。

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、燃料電池自動車、ハイブリッドカー、ホウルトラック）、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。

## 制御方式
 

### 使用される電動機
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。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（回転数）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。

単相誘導電動機は可変速運転、特に低周波数での運転に適さないことなどの理由からVVVF制御では一般的ではない。

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（PMSM）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（インバータ）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（この2点は、同期電動機に積極的な東芝が1つのパワーユニットに複数のインバータを収める 2-in-1 あるいは 4-in-1 と呼ばれる手法で軽減している）、価格や主制御器の保守などの面で課題が残る。対して誘導電動機は1つのインバーターで2つ以上の電動機を一括制御することも可能である。

### モーター特性に合わせた制御

今、鉄心の磁気飽和による最大磁束以下の *Φ<sub>m</sub>* 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*Φ<sub>m</sub>* のほぼ正弦波の磁束が鎖交する。コイル誘起電圧 e は磁束の変化率（ = 微分値）×巻数 *N* である。すなわち、
鎖交磁束を
: \phi e=\phi m\cdot \sin \theta \ ････\ (\theta = 2\pi nt)
とする時、(Φに付くe,mは添数

)

\sin (2\pi nt) \,  の時間微分（変化率）は、2\pi n\cdot \cos (2\pi nt) であるから、
誘起電圧eは
: e=2\pi Nn\cdot \cos (2\pi nt)
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。

### 電圧/周波数 ( V/f ) 一定制御
設定されているシークエンス（シーケンス）で電圧/周波数を連動させて制御する。制御回路が単純で安価であるとともに外乱による変化に対応しにくい。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に使用される。

### ベクトル制御
永久磁石同期電動機の制御の場合、回転子の絶対位置を把握するためモーターと同軸で回転角センサを備えるのがほとんどだが、三相モーターに供給される電圧と電流とを監視し、回転子の絶対位置を把握するベクトル制御（センサレス制御）のインバータも実用化されている。

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（回転部センサ付き）トルクベクトル制御も使われるようになった。センサの保守が煩雑であるものの精密なトルク・回転数・位置制御が出来るため、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に使用される。

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・回転数を得るのがセンサレス・トルクベクトル制御である。センサの保守が必要なく、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。しかしトルク・回転数推定のための高速な演算回路が必要で、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。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。

### 回路・変調方式
#### パルス幅変調（PWM）

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。
「パルス幅変調」(PWM) は直流から任意の交流疑似正弦波波形を生成する方式の1つであり、パルス幅を変えて疑似正弦波を生成する。パルス振幅を変えて疑似正弦波を生成するパルス振幅変調(PAM)と比較して電動機の騒音・振動が大きくなるが、電圧変化時の応答の遅れが少なくなる特徴がある。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。

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。

#### 2レベル・3レベルインバータ
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。
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（通常、同容量のコンデンサを直列接続し、その中点の電位を用いる）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。スイッチング素子の耐電圧を低く抑えられる他、発生周波数は高くなる高回転領域においてパルス数が減るため高調波の重畳が無視できないため、高調波損失を抑えるという意味では正弦波波形により近いマルチレベルインバータの方が良いものの、高耐圧・高速スイッチングが可能な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。

## 鉄道におけるVVVFインバータの歴史
電気機関車や電車においては主電動機に長らく直流電動機が使用され、速度制御も直並列回路の切り替えや抵抗器の挿入による電圧制御が容易な抵抗制御が多用されていたが、直流電動機は整流子やカーボンブラシなどの消耗品の保守を要していた。交流電動機ではそれらの保守部品が不要になるものの、当初は鉄道車両の制御への交流電動機採用は模索途上にあった。

1970年代に入るとパワーエレクトロニクスの進展によりサイリスタなど半導体素子の利用で鉄道車両の交流電動機制御が容易になり、電圧と周波数をインバータでパルス幅変調（PWM）により制御するVVVFインバータ制御が鉄道車両の制御装置の分野でも開発・実用化されることとなった。これによりメンテナンスの軽減、省エネルギー、機器類の小型軽量化などが図られている。

### 無整流子電動機の試験
1970年代の旧日本国有鉄道（国鉄）では無整流子電動機駆動方式の開発に取り組み、1972年（昭和47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（サイリスタモーター）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。

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ケ浦駅 - 杵築駅間の約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。

なお、ブラシレスモーターは鉄道車両の補助電源装置の電動発電機に採用された。

### 電流型インバータ車の実用化
西ドイツでは1971年にヘンシェル-BBCにより誘導電動機を駆動する電気式ディーゼル機関車のDE2500が開発され、西ドイツ国鉄（現・ドイツ鉄道）で202形として導入された。ディーゼルエンジンで交流発電機を駆動し、サイリスタ整流器で整流した後にインバータで電流を制御して主電動機の誘導電動機を駆動する方式であった。電圧調整はチョッパ制御で行うためインバータは周波数の制御をするだけでよく、この方式は主にヨーロッパで普及した。

スイスのスイス国鉄（SBB）では荷物輸送用電気機関車のDe4/4形に電圧チョッパ・電流インバータと誘導電動機を試験搭載したBe4/4形が登場し、これが電気機関車で最初のインバータ・誘導電動機駆動車となった。

DE2500やBe4/4形の成果を元に、1979年に西ドイツ国鉄初の誘導電動機駆動の電気機関車として120形が導入された。架線電圧は交流15kV 16 2/3 Hz、整流器とインバータにより1,400 kWの誘導電動機4基を駆動する方式で、出力と牽引力を両立した客貨両用の運用が図られた。この電流形インバータは高速列車ICEでも採用され、1991年に登場した量産車ICE 1でも120形に準じた制御システムが搭載された。

フランスではフランス国鉄が1982年にBB7200形のうち1両を誘導電動機試験車のBB10003形に、1983年には同じくBB7200形のうち1両から同期電動機試験車のBB10004形にそれぞれ改造された。いずれも西ドイツ国鉄の120形と同システムの電流形インバータ車であった。高速列車TGVでも1989年のLGV大西洋線開業用に導入されたTGV Atlantiqueで電磁石同期電動機が採用されたが、後期型では誘導電動機に替わっている。

### VVVFインバータ車の導入
世界で初めて営業運転に投入されたVVVFインバータ制御車は、電車ではアメリカ合衆国・クリーブランド地下鉄の空港連絡路線用150形「Airporter」のうち1973年にPWM電圧インバータ車へ改造された3両とされる。しかし故障が多く、改造から3年後には撤去された。

フィンランドのヘルシンキ地下鉄では1977年に導入のM100系で試験、量産された。フィンランド国鉄では1986年に本線・入換兼用の電気式ディーゼル機関車であるDr16形に誘導電動機が試験搭載され、後に量産車も登場している。

## 鉄道のVVVF制御車における機器構成
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。

### インバータ装置と電動機
直流電車でVVVFインバータ車を駆動する場合、架線や第三軌条からの直流電源を三相VVVFインバータに入力し、120度ずつ位相をずらしてパルス幅変調（PWM）によるスイッチングで交流電力を得て主電動機を駆動させる。鉄道車両では主にかご形三相誘導電動機が使用される。同期電動機の場合は電磁石同期電動機や永久磁石同期電動機が使用される。

一つのインバータで複数の非同期電動機 (IM)を駆動することが行われているため、制御装置と電動機の関係が#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つの非同期電動機を駆動する場合、1C4Mとなる。

同期電動機は一つの電動機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。

### スイッチング素子・素材
#### GTOサイリスタ

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GTOサイリスタが用いられるようになった。

JR東日本209系920番台（登場時は901系C編成）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た。以後登場した209系量産車にも採用された。

パルス幅変調(PWM) のパルス波形は2レベルがほとんどであったが、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。

#### パワートランジスタ
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（厳密には低損失かつ高耐圧のものが製造できない状況である）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701系電車や901系A編成（後の209系900番台）、JR西日本207系0番台が挙げられる。

#### IGBT

1990年代終盤以降は鉄道車両でもスイッチング速度が速い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。

#### SiC-MOSFET
2010年代以降は、従来のケイ素(Si)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(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。

### 加速時の制御
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すべりを増やして定出力とし、すべり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似せている。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。

加速時は低速域（一例として40 km/h前後まで）ではトルクを維持し、電圧と周波数を比例させるV/f一定制御を行い、PWMのパルスモードを順次切り替えていく。直流電動機車両における抵抗制御に相当する。

電圧が最高値に達すると定電圧領域となり、すべり周波数制御を行って磁束を弱める。これは直流電動機車の弱め界磁制御に相当する。速度が上昇して電圧とすべり周波数が最大になると電流を弱め、直流電動機車のフリーラン領域に相当するものとなる。

### 回生ブレーキ
VVVF制御車においても、ブレーキで発生した電力を架線へ返す回生ブレーキが使用可能である。動作時は交流電動機を発電機として停止寸前の5 - 7 km/h前後まで動作させ、停車時や回生失効時は空気ブレーキに移行する。付随車では高速域のブレーキを電動車の回生ブレーキで負担する遅れ込め制御が使用可能である。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つ。

完全停車まで電気ブレーキを使用する純電気ブレーキも登場している。三菱電機では回転磁界を逆転させる方式、日立製作所では電動機に直流電流を流す方式が採用されている。

### 主変換装置
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、主変換装置で一旦直流に変換（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。

## 鉄道車両制御における利点と欠点
### 利点
* 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（省エネルギー）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（MT比）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。
**この特性を活かし、阪神・淡路大震災で阪急神戸線の一部区間が不通となり区間運転となった神戸側にはVVVF車である8000系が集中投入され、そのメンテナンスフリーの特性を発揮した。

### 欠点
* 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。（名古屋鉄道や都営地下鉄新宿線においてVVVFインバータ制御車の投入が遅れたのは誘導障害対策が大きな要因）。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インバータ制御車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インバータ制御車に乗車しながら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両が存在する。
** 1990年代以降に出た新型のIGBT素子では、GTOサイリスタ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インバータ制御では、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（平成16年）頃から初期のRCT素子やGTOサイリスタ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サイリスタ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。

## 日本での試験・実用化と発展
### 日本でのVVVF試験
#### 国鉄・JRにおける取り組み

日本国鉄では1979年（昭和54年）から翌1980年（昭和55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（台上試験）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(RCT)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。

1984年（昭和59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（台上試験）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（GTOサイリスタ素子（4,500 V - 2,000 A）を使用したVVVFインバータ装置（東芝製）など・1C4M制御）をクモハ101-60の床上に艤装し、1985年（昭和60年）12月から1986年（昭和61年）1月までの期間で2回に分けて試験を実施した（モハ100-35はT車代用、また測定用電源（SIV）を床上配置）。試験車は国鉄浜松工場で構内走行試験後、東海道本線静岡駅 - 豊橋駅間で本線走行試験を実施した。Aタイプ主電動機（後述）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（緊急用）

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（いずれも150kW出力）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（昭和61年）秋に落成した207系900番台でVVVFインバータ制御（形式名SC20）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（在来線）
*北海道旅客鉄道（JR北海道）
** 785系（1990年、JRグループ初のVVVFインバータ制御電車）
*東日本旅客鉄道（JR東日本）
** 209系（1993年）
*東海旅客鉄道（JR東海）
** 383系（1994年）
*西日本旅客鉄道（JR西日本）
** 207系（1991年）
*四国旅客鉄道（JR四国）
** 7000系（1990年）
*九州旅客鉄道（JR九州）
** 813系（1994年）
*日本貨物鉄道（JR貨物）
** EF200形（試作機は1990年。量産機は1992年）
新幹線では、1990年（平成2年）に東海道新幹線の300系の試作車9000番台（J0 → J1編成）が作られ、1992年（平成4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（平成25年）に200系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。

#### 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、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（昭和53年）11月、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（2,500V - 400Aの逆導通サイリスタ素子を使用・1C4M制御）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（昭和55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（2,500V - 400A（他社製）逆導通サイリスタ素子を使用・175kW主電動機4台制御×2台）を搭載して、かしわ台工機所構内ならびに本線かしわ台駅 - 相模大塚駅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（その後、横浜市内の横浜製作所に統合）、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（前述の営団地下鉄と同様のシステム）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（昭和56年）9月から翌1982年（昭和57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（第三軌条方式）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（昭和57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（2,500V - 500A（自社製）逆導通サイリスタ素子を使用・175kW主電動機4台制御）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（150kW主電動機4台制御）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（2次試作）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（ただし、床下艤装作業を省略するため、機器は室内に艤装された）。阪急電鉄の試験では、国内では架線電圧1,500V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。

### 実用化
営業用として初のVVVFインバータ制御車は、1982年（昭和57年）8月2日に投入された熊本市交通局8200形電車である（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、ほかに国内の営業用車で用いたのは札幌市交通局8500形電車（同様に路面電車）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（直流1,500V用の半分で済む）、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。

GTOサイリスタ素子による初のVVVFインバータ制御車は、1984年（昭和59年）3月28日に落成した大阪市交通局20系電車（2代目）となる（第三軌条方式・直流750V電化）。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、性能確認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インバータ制御車は東急6000系電車 (初代)のVVVF改造車である。1983年（昭和58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（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4,500V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（昭和59年）7月に東大阪生駒電鉄（→近畿日本鉄道に統合）7000系試作車が落成（近鉄東大阪線→けいはんな線は未開業・走行試験を実施（第三軌条方式・直流750V電化）。量産・営業開始は1986年10月）、さらに直流1,500V電化用の新製車では日本初となる近鉄1250系電車1251編成（現・近鉄1420系電車1421編成）の製造が続いた。

本格的な量産車は、1986年（昭和61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（前述。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）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（東武鉄道10080型、京阪6000系電車初代6014Fの一部など）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。

### IGBT素子の採用
IGBT素子を使用したVVVFインバータ制御車は、1992年の営団（現在の東京メトロ）06系・07系電車が、JRでは1995年のJR西日本223系1000番台が初めてとなる。また、JR西日本207系0番台（後に体質改善工事によりIGBTに取り替え）やJR東日本901系A編成（後に209系900番台に改造され、後年にはGTOに取り替え）、JR東日本701系（後にIGBTに取り替え）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た。

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インバータ制御車が主体となった。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30年以上が経過したことから、半導体素子の経年劣化による制御装置のASSY交換（京王1000系電車 (2代)、阪急8000系電車、Osaka Metroの66系リニューアル車、JR西日本223系0番台体質改善車、JR東日本E231系電車など）が行われる車両や、JR東日本E217系電車や東京都交通局5300形電車、北神急行電鉄7000系電車などのように後継車へ置き換えられ運用終了、引退し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インバータ制御車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電車のVVVFインバータ制御車統一を達成し、JRグループでも2019年9月にJR四国が全営業電車のVVVFインバータ制御車統一を達成している。

### PMSMとSiCの採用
エネルギー効率の向上のため、2000年代後半には永久磁石同期電動機（PMSM）も採用されるようになった。日本では2007年に東京地下鉄（東京メトロ） 同01系電車（銀座線）での試験の後、2009年より02系電車（丸ノ内線）の電機子チョッパ制御車を対象に永久磁石同期電動機（PMSM）を用いて更新改造を行った（2000系への置換に伴い2024年に運用終了）。また、同社の16000系電車（千代田線）はPMSMを採用して新製・量産された日本初の例である。ハイブリッド車両の場合、JR貨物HD300形ハイブリッド機関車やJR東海HC85系気動車などがPMSMを採用している。

JR東日本E331系電車（京葉線）ではE993系で採用された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（平成26年）4月に廃車され現存しない。

2010年代では、素子材料として炭化ケイ素（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8800形更新車など改造・更新が進められている。

### 初期のVVVFインバータ制御車一覧
日本初の熊本市交通局8200形電車（1982年【昭和57年】）から1986年（昭和61年）までに登場のVVVFインバータ制御車一覧。

全車両がVVVFインバータ制御車（両数に「*」が付いているもの）の形式には、両数に付随車を含む。一部車両がVVVFインバータ制御車の形式には、両数に付随車を含まない。

## インバータの駆動音
VVVFインバータ制御車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（磁励音）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。これらの音は主に交流電動機から発せられ、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サイリスタでは近鉄のほとんどのGTO-VVVFインバータ制御車や阪急8000系(初期製造車)、JR東日本901系B編成（→209系910番台）、小田急1000形電車（未リニューアル車）や新京成電鉄8800形電車（機器更新前）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ものも存在する。

GTOサイリスタ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。

### 「ドレミファインバータ」

シーメンス製のGTOサイリスタ素子を用いたインバータ制御装置(SIBAS32)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VVVF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系電車や京浜急行電鉄2100形・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。

シーメンス・ジャパン・レールシステムズの担当者によれば、一種の「遊び心」で、ソフトウエアにより周波数を段階的に引き上げる独自技術で音階をつけたという。

## 主なメーカー
* 三菱電機
* 日立製作所
* 東芝
* 東洋電機製造
* 富士電機（富士電機機器制御）
* 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

## 参考文献
* 交友社 『鉄道ファン』1986年5月号「国鉄のVVVF車両開発」（園木武雄 国鉄車両設計課）pp.&nbsp;64–66
* 久保敏・宗行満男「誘導電動機式車両のあゆみ VVVF車両に至るまでの90年のチャレンジ 4」『鉄道ファン』1987年6月号（No.314）、交友社、pp.125-131
* 吉川文夫「特集：VVVFインバータ車両」『鉄道ファン』1991年5月号（No.361）、交友社、pp.9-43
* 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』（鉄道車両用VVVFインバータ開発の歴史を残す会）
* 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」（豊田瑛一・（株）日立製作所 水戸鉄道システム本部）

## 脚注

### 注釈

### 出典

## 関連項目
* 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
* 主変換装置
* 赤い電車 (曲) - 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。

## 外部リンク
* 日立製作所『日立評論』
** 1986年10月号「」（東急9000系電車・近鉄6400系電車のVVVFインバータ装置について記載）
* 三菱電機『三菱電機技報』
** 1991年6月号特集論文「」pp.20 - 27