可変電圧可変周波数制御
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。
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(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酷似している。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。
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(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。
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。
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。
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。
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(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電化用の新製車両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。
本格的な量産車両は、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10000系電車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。
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(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、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 (SNCF) 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(東京メトロ) 02系電車(丸ノ内線)- 同01系電車(銀座線)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(千代田線)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。