電気車の速度制御
界磁を弱める方法として、界磁の中間にタップを設けて界磁の一部を短絡する方法(界磁タップ制御または部分界磁式)や、界磁と並列に抵抗を配置して界磁電流の一部をバイパスさせる方法(界磁分流制御または分路界磁式)がある。いずれも段階的に界磁を制御する方法が採られ、ほぼ電機子電流が一定となるように制御する。これにより出力(=トルク×回転速度)を一定に保ったまま、加速することができる。界磁タップ制御は電動機の界磁巻線そのものにタップ端子を設ける必要があり、界磁磁束の制御段数も界磁分流制御ほど多くできないという欠点がある。
弱め界磁は電圧を変えることなく中高速域のトルク特性を向上できるが、際限なく界磁を弱めていくと電機子反作用により磁束が乱れ、整流不良を起こしてしまうことから、一般に全界磁(弱め界磁を用いない状態)の35%程度にまで弱めることが限界とされる。さらに界磁を弱める場合は、電機子反作用を抑える補償巻線を界磁に付与することで25%程度まで可能となる。
また、弱め界磁はトルク向上の手段として用いられる以外に、逆にトルクを抑制する目的で使われる場合もある。逆起電力は回転速度に比例するため、回転速度がごく低い起動時はほとんど発生しない。したがって起動時に界磁を弱めた場合、逆起電力の影響はごく小さく、電機子電流はほとんど増加しない一方で、界磁磁束のみが小さくなることから、トルクは抑えられる方向へ作用する。この特性を利用して起動時のトルクを低く抑え、発車時の衝動を抑制する方式を弱め界磁起動と呼ぶ。
黎明期の電気鉄道は、市街電車や都市近郊路線など近距離運行の鉄道に用いられた。これらは直流電化によるものであったが、長距離路線の電化が計画されると交流方式が送電面で優位と考えられるようになり、19世紀末にはスイスで世界初の交流電化が行われている。その後国土の広いヨーロッパやアメリカを中心に採用されたほか、第二次世界大戦後は交流電気車技術の発展が進み、日本の新幹線も交流電化を採用している。
交流は直流に比べ電圧の制御が容易であり、高電圧を用いることで送電損失が小さく、変電所などの地上設備費用が低い利点を備えるほか、電気車の制御面においても低損失・粘着力向上などの利点を有している。
交流電気車は交流電化区間で走行する電気車を指すもので、必ずしも電動機として交流電動機を使用するわけではない。電化方式と電動機の組合せとして、次に示す方式がある。
三相交流を取り入れ、交流誘導電動機を駆動するもの。
初期の電化方式で用いられた方法。三相交流を用いることから電力設備・集電設備が複雑であり、誘導電動機の速度制御が難しかったことから、広く普及するには至らなかった。
単相交流を取り入れ、交流のまま整流子電動機を駆動するもの。
20世紀前半にアメリカやドイツで採用された方式。界磁に電磁石を用いた整流子電動機はユニバーサルモーターとも呼ばれ、直流だけでなく交流でも使用可能である。ただし、周波数の高い商用電力(50Hzや60Hz)では整流不良を起こすため、16 2/3Hz(16.7Hz、50Hzの3分の1)など特殊な周波数で電化が行われた。
単相交流を直流に変換し、整流子電動機を駆動するもの。
1950年代にフランスを中心に実用化された方法。電気車に整流器を備え、取り入れた交流を直流に変換してから、直流整流子電動機を駆動する。電化には商用電力をそのまま使用でき、広く普及した。
単相交流をコンバータ・インバータにより三相交流に変換し、交流電動機(誘導電動機・同期電動機)を駆動するもの。
20世紀後半から用いられる現在の標準方式。可変電圧可変周波数制御(VVVFインバータ)により、三相交流電動機を制御する方法。インバータの動作は直流電源を必要とするため、いったんコンバータにより直流に変換を行う。
ここでは主として、単相交流を直流に変換し、整流子電動機を駆動する電気車について述べる。交流電化では1万ボルト以上の高い電圧が用いられていることから、電動機に適した数百ボルトまで電圧を下げ、さらに直流電動機を駆動するため交流を直流に整流する必要がある。
交流は変圧器を用いて電圧を簡単に変えられる特性を持っており、変圧器を可変として電圧を制御するタップ制御が利用できるほか、波形の一部を取り出し平均電圧を制御する位相制御も可能である。この二つの電圧制御は幅広い速度制御に応用でき、抵抗制御に代表される直流電化に比べ損失が少なく、粘着性能においても有利である。
変圧器は入力側の1次巻線と出力側の2次巻線から構成され、1次巻線に交流を流すと電磁誘導により2次巻線に電流が流れる仕組みである。2次巻線の出力電圧は1次巻線と2次巻線の巻数比率に比例することから、数万ボルトに及ぶ架線電圧を巻線比率を調整することによって、電動機に適した電圧(千数百 - 数百ボルト)に下げることができる。
ここで、巻線にタップを設けて巻数を可変とすれば、タップの切り換えによって異なる出力電圧が得られる。これを電動機の電圧制御に応用したのがタップ制御である。高圧側に前置した単巻変圧器のタップで切り替えを行なってから降圧変圧器で降圧するものを高圧タップ制御、2次巻線に対して行なうものを低圧タップ制御と呼ぶ。高圧タップ制御はタップで扱う電流が小さく、切り替え段数が多く取れる利点を有しているが、を行うため、変圧器が大型となり重量も増加する。このため、単巻変圧器と降圧変圧器の鉄心の一部(帰線磁路)を共用にして軽量化を図ったが、一見トランスの一次側をタップ切換するように見えて一部の技能者や鉄道ファンに誤解が拡がった。高圧タップ式では水銀整流器による整流をセンタータップ式回路にして、運転管理の必要な陰極を共通電位にして簡素化を図っても電圧切換は一組で済んだことで初期には主流だったが、大容量シリコン整流器の出現で、電圧切り替え機構が一組で済むブリッジ整流回路の採用が整備面においては利便性が高く、以降は低圧側での制御が主流となった。右図中段は低圧タップ制御の事例である。電動機の回転速度に合わせタップを切り替え、電動機の印加電圧を制御する。
一方、変圧器のタップ制御で得られるのは交流であり、直巻電動機を駆動するためには、整流器を用いて直流に変換する必要がある。初期の交流電気車では水銀整流器が用いられた。水銀整流器は位相制御が可能であったが、振動対策や取り扱いが難しく、後に開発された半導体素子によるシリコン整流器へ移行した。また、元々の交流は正弦波であり、整流器で得られる電流は周期的に波を持った脈流となることから、平滑回路を挿入してなだらかな直流とする(右図下段)。変圧器のタップ制御は、抵抗制御とは異なり電流の損失がほとんどなく、電圧の制御幅も自由度が高いことが特長である。
ところで、"タップ制御車は空転に強い"という俗説がある。タップ制御では"電動機が並列に接続され抵抗がないため空転が収束しやすく再粘着性に優れる"などという解説が巷にあふれているが、これは全面的に正しいとは言い難い(少なくとも上記の「理由」は明確に間違いである)。空転が発生した場合、当然にモーターによる逆起電力が急増し、回路電流が減る。自動進段制御の場合はこれを補う制御が行われ(抵抗制御・直並列組合せ制御の場合は抵抗が抜かれ)トルクが戻り、ますます空転するという状態を繰り返す。進段をしなければ回路電流は減り続けやがて空転が収まるはずであるが、再粘着時に回転が減ることで逆起電力も減少するためモーターにかかる電圧を減じない限り再度空転するはずである。よって空転を起こさない程度まで回路電流を減らして(ノッチを戻して)維持しなければ空転は収まらず運転を継続できないが、抵抗制御の場合は抵抗がすべて抜けた直列、直並列、あるいは並列の最終段以外において抵抗器の熱容量による制限で連続運転ができない。
これに対し、印加電圧を直接制御するタップ制御では、どのノッチでも連続運転可能であるため、空転しない最大の出力をかけて運転することが容易である。この点はタップ制御(サイリスタ位相制御でも同様ではある)の利点であるが、空転検知能力がなく自動進段を備えたタップ制御車を仮定すると、上述の通り空転が始まった場合には自動進段の抵抗制御車同様収まる見込みはない。しかしながら、国鉄の製造した交流専用機関車は全車手動進段であるから、空転時に勝手に進段してしまうこともない。すなわち、空転に強いという理由の半分は手動進段であることに依っている訳である。
タップ制御は電力効率や再粘着性能に優れる一方で、有限個のタップ切換による段階制御であることから、抵抗制御と同様に切換時のトルク急変が伴い、空転そのものが発生しにくいわけではない。また、タップ切換時には大きな電流を切り入りするため、タップに電弧(アーク放電)を生じやすく、変圧器を損傷しやすい危険性を抱えている。
これらの問題は、切り換えるタップの電圧差を連続的に制御して、トルクの急変や電弧発生を解消することで解決できる。これを電弧が生じないことから無電弧タップ制御、またはタップ間連続電圧制御と呼び、電圧の連続制御には位相制御を用いる。整流器に制御極(ゲート)を設けると、特定のタイミングで整流器をオンにできる。この特性を利用し、交流電流の波形に合わせてオンするタイミングをずらすことにより、平均電圧を連続的に制御するのが位相制御の仕組みである(右上図)。
位相制御の歴史は比較的古く、1935年(昭和10年)には水銀整流器による格子位相制御と組合せ制御を併用した電気機関車がドイツで試作されている。その後、第二次世界大戦を挟んで、1950年代から交流電気車の技術開発が活発化し、水銀整流器によってタップ間の電圧を連続的に制御できる車両が開発される。この当時は、トランジスタが発明され真空管に取って代わっていった時代であり、ほどなく水銀整流器も半導体素子であるシリコン整流器へと移行し、安定した性能が得られるようになった。その一方で、シリコン整流器は位相制御ができなかったため、無電弧タップ切換を行うには磁気増幅器の併用を必要とした。その後、制御極付きのシリコン整流器であるサイリスタが開発され、1960年代から電気車の位相制御に用いられるようになった。
右下図は、サイリスタを二組用いて無電弧低圧タップ切換を行う場合の概念を示したものである。1段目のタップを投入するとき、サイリスタT1を無点弧(出力ゼロ)の状態にしておくと、タップに電流が流れないため電弧を生じない。次に、サイリスタT1によって位相制御を行い、1段目のタップ電圧をゼロから最大まで制御したのち、2段目のタップをサイリスタT2に投入し同様に連続位相制御を行う。サイリスタT2の電圧が最大に達すると、T1はすべてT2に包含され電流が流れなくなるため、1段目のタップを切っても電弧はやはり生じない。この要領で、二組のサイリスタを交互に用いることにより、タップ切換で電弧を生じることなく連続的な電圧制御が可能となる。図の例ではサイリスタを用いたが、二組の磁気増幅器を用いても同様の制御が行える。
サイリスタの技術開発によって小型軽量な半導体素子による連続電圧制御が可能となると、さらに考え方を一歩進めて、タップ切換器を敢えてなくしてしまうことが考えられた。タップ切換は機械的なスイッチによって行われるが、これをサイリスタに置き換えて完全な無接点化を実現し、機器構成の簡素化・軽量化や整備性の向上を図るものである。この方式を一般にサイリスタ連続位相制御、あるいは単にサイリスタ制御と呼ぶ。
右図はサイリスタ連続位相制御の構成を示したものである。変圧器の2次巻線を分割してそれぞれにサイリスタを配置し、ダイオードブリッジを介して接続するダイオードブリッジに代え、サイリスタを順に位相制御すれば、右図下段のように出力電圧を連続的に変化させることができる。本方式において、サイリスタは分割された2次側出力の位相制御を行うとともに、タップスイッチの役目も兼ねており、故障の原因となりやすい機械的なスイッチをまったく用いないことが特長である。図は4分割の事例を示したが、容量に応じて6分割としたり、出力の小さい電車では2分割の例もある。
また、サイリスタを用いた交流電気車は制御回路を逆にして、比較的簡単に電力回生ブレーキが使用できる。整流子電動機を直流発電機として用い、サイリスタブリッジでインバータ回路を構成して、得られた交流電力を架線に戻す構造である。回生ブレーキを使用する構成の場合、主回路とは別に界磁用の位相制御回路を組み、分巻電動機を用いて界磁を他励とすることがある。電機子電流とは別に、界磁を連続制御することによって、安定した回生ブレーキや勾配抑速ブレーキにおける定速制御を実現している。
サイリスタ制御は優れた特性を持つ一方、位相制御は滑らかな正弦波(サインカーブ)を途中でカットする方法であり、出力電圧が不連続で乱れた状態になる。これによって交流電源の周波数とは異なる高調波を生じ、変電所や信号設備などの地上設備に有害な誘導障害を引き起こすことがある。位相制御を行う無電弧タップ切換も同様であるが、タップ段数に比べてサイリスタ制御の2次巻線分割数は少なく、波形の乱れが大きい後者の問題はとりわけ顕著である。これを防止するため、車両や地上設備にフィルタを設けるなどの処置を必要とする。
またブリッジ(整流回路)にはサイリスタとダイオードで構成されたサイリスタ・ダイオード混合ブリッジと、ブリッジがすべてサイリスタで構成されたサイリスタ純ブリッジとがあり、後者は位相制御と整流をまとめて行う方式であり、純サイリスタ制御とも呼ばれる。
抵抗制御を用いた直流電気車では印加電圧が最大に達すると弱め界磁制御により中高速域のトルク特性を改善するが、同様に直流整流子電動機を用いる交流電気車でも弱め界磁を用いることは可能である。しかしながら、電源電圧と電動機個数の組合せで最大印加電圧が決定する直流電気車とは異なり、交流電気車では変圧器の設定で幅広い電圧制御が可能であることから、必ずしも弱め界磁を必要としない場合がある。
右図は、抵抗制御と弱め界磁制御を用いた直流電気車(青線)と、交流電気車(赤線)の速度と牽引力の関係を示した事例である。一般に直流電気車は定トルク領域(抵抗制御)が低い速度で頭打ちとなり、弱め界磁により定出力制御を行って中高速域のトルク特性を補うのに対し、交流電気車では比較的高い速度まで定トルク(電圧制御)で制御できる。したがって、とくに弱め界磁を利用しなくても、あるいはわずかに界磁を弱めるだけで十分な高速性能が得られる。初代新幹線車両である0系は定トルク領域を167km/hの高速度まで設定し、弱め界磁を用いない設計であった。一方、さらなる高速性能を確保したい場合は、弱め界磁の併用も有効である。
サイリスタの登場は、直流電気車ではこれまで一般に不可能であった、連続電圧制御による粘着力特性の改善や低損失、無接点化、また安定した回生ブレーキの使用を可能とした。本節では、サイリスタに代表される半導体素子を直流電気車の速度制御に適用した事例について述べる。
直流電気車に対し主として用いられる制御方式がチョッパ制御である。これはサイリスタのスイッチング作用を直流電源に適用したもので、交流電気車における位相制御と同様に、連続的にかつ無接点で電圧制御を行うことが可能である。また、直流電気車においても、容量は小さいながら制御用の交流電源を有しており、これを位相制御することによって界磁を制御し、速度制御や回生ブレーキに応用する方式も用いられる。
チョッパとは『切り刻む』ことを意味するchopに由来し、電流を切り刻むことによって電圧制御を行う方法である。右図は降圧チョッパの概念を示したもので、一定の電圧で供給される直流電源に対し、高速でスイッチのオン・オフを行い、スイッチオンとオフの時間比率を変えることによって、任意の電圧に落とすことができる。すなわち、オンの時間を短く取れば平均電圧は低くなり、逆にオンの時間を長くすると高い平均電圧が得られる。このように一定の周期の中で、オンオフの時間を変えて電圧を制御する方法を、パルス幅変調 (PWM) と言う。
ここでスイッチの役目を果たすのが、サイリスタをはじめとする半導体素子であり、無接点で高速なスイッチングを行う。チョッパ制御は、交流における位相制御と同様の作用を持ち、電圧を連続的に制御できる利点を有している。
その一方で、サイリスタはスイッチオンの動作のみを持ち、電流がゼロになるまでスイッチオンを維持する特性がある。交流を用いた位相制御では周期的に電流がゼロになることから、自然にスイッチがオフとなるのに対し、直流を用いるチョッパ制御では強制的にスイッチオフとするための回路が別途必要となる。このため、大電流を扱うチョッパ装置は、回路構成が複雑で高価なものとなりがちであった。後にPWMを行う素子として登場したGTOサイリスタやIGBTは、スイッチオンに加えスイッチオフの動作も合わせ持つ半導体素子である。
電機子チョッパ制御は主回路にチョッパ制御を組み入れた構造で、電機子電流の電圧制御をチョッパで行う方式である。旧来抵抗制御や直並列組合せ制御により行っていた、電動機への印加電圧の制御を降圧チョッパに置き換え、連続的に電圧を制御するものである。抵抗を用いないことから損失が小さく、電圧を連続的に制御できるため空転を起こしにくく、粘着性能に優れる。
また、電機子チョッパ制御では回生ブレーキを有効に利用できる利点を有している。回生ブレーキは電動機をブレーキ時に発電機として利用し、得られた電力を電車線(架線等)に返還するブレーキ方式であり、回生電圧は架線電圧を上回る必要がある。直巻整流子電動機の起電力は回転速度に比例するため、回転速度が低いときは十分な電圧が得られず、旧来の抵抗制御等による方法では広い速度域で回生ブレーキを利用することが困難であった。これに対し電機子チョッパ制御では、力行時の降圧チョッパ回路を、低い電圧を高くする昇圧チョッパに組み替えることが可能であり、低速時の起電力が低い場合でも電圧を上げて架線に戻すことが可能となった。
一方で、電機子チョッパは、パワーエレクトロニクスが発展途上にあった1960年代から1970年代に実用化されたため、
電機子を流れる大きな電流を制御することから、装置が大がかりで製造費用が高い。
位相制御と同様、高調波を生じ誘導障害を引き起こすことがある。
などの問題も有していた。
また、昇圧チョッパの利用によって低速域まで回生ブレーキが使用できる反面、高速域では電動機の起電力が架線の電圧を大きく超え、回生ブレーキの使用が難しくなる問題も抱えていた。このため、電機子チョッパ制御では一般に直並列組合せ制御を行わないが、高すぎる回生電圧を制御するためにブレーキ時に直並列の組み替えを行う構造を搭載した車両もある。
このように、本方式は粘着性能に優れており、しかも電流の抵抗損失を生じない一方で、高速域の回生ブレーキに難のある方式であった。このため、高速運転は行わないが、高い加速度(高い粘着性能)を必要とし、トンネル内の温度上昇を抑制する必要のあった地下鉄車両にしばしば用いられた。
界磁制御方式の特徴
回生ブレーキ利用が可能。
定速制御が可能。
製造費用が比較的低い。
高調波や励磁音の発生が小さい。
抵抗制御が基本のため抵抗損失があり、粘着性能に劣る。
停止までの回生ブレーキが不可(打ち切り)。
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(電機子チョッパとの比較)
主回路にチョッパ制御を適用した電機子チョッパ制御は、直流電気車の性能に変革をもたらしたが、大電流を扱う制御装置が高価なことが問題であった。そこで、主回路よりも扱う電流の小さい界磁調整器に対し、サイリスタ等の半導体素子を適用する方式が開発された。すなわち、起動時における定トルク制御は旧来の抵抗制御を踏襲して製造費用を抑える一方、弱め界磁制御やブレーキ時において界磁を積極的に制御し、幅広い速度域での回生ブレーキの使用や定速度制御を可能とするものである。
さて、回生ブレーキを扱う場合、電動機が発する電圧が低いと回生電力を架線に戻すことができず、高すぎる電圧は電力施設を損傷してしまう。このため、電動機の発する電圧を一定の幅に制御しなくてはならない。電動機から得られる電圧(E\,)は、界磁磁束(\phi\,)および回転数(n\,)と以下の関係にある。
E = k \cdot \phi \cdot n
すなわち、回生電圧は界磁の強さ(界磁磁束)と速度(回転数)に比例するため、速度が落ちるにつれて回生電圧は低下してやがて失効する。電機子チョッパでは低下した電圧を昇圧チョッパによって高めることで、低い速度での回生ブレーキに対応していた。これに対し界磁を制御する方法では、回転数(n\,)の増減に合わせて、界磁磁束(\phi)を変えることで回生ブレーキを実現する。つまり、速度が高いときは界磁を弱め、速度が低くなると界磁を強めて、幅広い速度域で一定幅の電圧を得る。ただし、界磁の制御だけでは限界があり、ある速度(一般に15km/hから30km/h程度)を下回ると十分な回生電圧が得られなくなり、空気ブレーキ等に切り替えられる。
界磁を自由に変化させるには、電機子と界磁が直列の直巻電動機よりも、電機子と界磁が独立した分巻電動機が適している。その一方で、起動から力行にいたる速度制御には直巻電動機が適しているため、直巻と分巻の特性を合わせ持つ複巻電動機を用いたり、力行時と回生時で界磁の特性を直巻・分巻に使い分ける制御などが行われる。また直巻電動機の界磁を別電源で駆動・制御すれば電気的には分巻特性に当たり、全電圧を印加する元々の分巻コイルよりもインダクタンスが桁外れに低く、時定数が小さくなるので制御系としては高速応答になり安定動作となる。
代表的な方式として、次の3方式が挙げられる。これらの方式は抵抗制御を基本とするため抵抗損失は避けられないが、安価に回生ブレーキを実現できるため、多くの電車に採用された。
電動機として直巻界磁と分巻界磁の二つを持つ複巻電動機を使用し、分巻界磁は補助電源によって他励方式とするのが特徴である。このため他励界磁制御とも呼ばれる。補助電源は、制御機器の動作や空調機器などに使われるもので、直流電気車であっても一般に三相交流で供給される。この三相交流電源を励磁装置によって位相制御することにより、分巻界磁の連続制御を行う。
励磁装置には一般にサイリスタ等が用いられるが、これら半導体素子の登場以前にも磁気増幅器で位相制御し、本方式を採用した車輌もある。
界磁位相制御と同様に複巻電動機を用いるが、本方式は分巻界磁を直巻界磁と並列に配置する点が特徴である。分巻界磁を流れる直流電流をチョッパ制御することで、界磁の連続制御を行う方式である。他の方式と同様、抵抗制御で起動し、界磁の連続制御は弱め界磁制御や回生ブレーキ時に用いられる。
チョッパ制御登場以前に、可変抵抗により分巻界磁の界磁調整を行う方式が存在し、本方式はこれを電力用半導体素子に置き換えたものと言える。旧来の界磁調整器に比べ保守性・応答性の面で有利であり、電機子チョッパに比べても回路が安価であったことから、多数の採用例がある。
一方、複巻電動機は構造が複雑で、負荷や架線電圧の変動に弱く、保守に手間がかかるという難点を合わせ持っていた。
他の方式と異なり、製造費用・保守面で有利な直巻電動機を用いることが特徴である。直巻界磁に分流回路を設けるとともに、補助電源による励磁装置から直巻界磁に電流を添加して界磁の連続制御を行う。励磁装置は、一般に三相交流の補助電源を位相制御するが、直流の補助電源からDC-DCコンバータとして動作する形式もある。
力行時は抵抗制御により起動し、弱め界磁制御域に達すると誘導コイルに電流を分流させるとともに、励磁装置から分流回路とは逆向きの電流を添加する。この電流を徐々に弱めていくと直巻界磁の電流が減少し、連続的な弱め界磁制御を行うことができる。
一方、回生ブレーキ時においては、バイパスダイオードによって電機子電流はすべて誘導コイルに流れる。直巻界磁には励磁装置からの電流のみが流れ、直巻電動機でありながら非常に高速応答の界磁を持つ分巻電動機として制御でき、幅広い速度での安定した回生ブレーキを可能にしている。
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、高速域での回生ブレーキ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、
T = k_1 \phi I \fallingdotseq k_2(V/f)^2 f_s
ここに、k_1 , k_2は比例定数、Iは電機子電流、\phiは鎖交総磁束、Vは電圧、fは電源周波数、f_s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。