可変電圧可変周波数制御
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(京王1000系電車 (2代)、阪急8000系電車、Osaka Metroの66系、JR西日本223系電車0番台体質改善車など)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(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、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。
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。
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。
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インバータ搭載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(平成16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。
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(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(→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(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。
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。
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