可変電圧可変周波数制御

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）は、英語ではVVVF(Variable Voltage Variable Frequency)といい、交流電動機の制御方式の一つである。

Table of contents

1 制御方式

1.1 電圧/周波数制御
 1.2 （回転部）センサレス・トルクベクトル制御
 1.3 （回転部センサ付き）トルクベクトル制御

2 使用される電動機
 3 鉄道におけるVVVFインバータの利用

3.4 利点
 3.5 走行音

4 関連項目

制御方式

電圧/周波数制御

設定されているシーケンスで電圧/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。

（回転部）センサレス・トルクベクトル制御

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

センサの保守が容易である。
高速な制御回路が必要である。
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・エレベータなど、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。

（回転部センサ付き）トルクベクトル制御

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

押出機・巻取機・鉄道車両など、大きな始動トルクと正確な制御が必要な負荷用。

使用される電動機

2000年代に入り、特に高効率でオープンループ制御が可能な永久磁石同期電動機が多用されるようなった。また、大容量の電磁石同期電動機や既設のかご形三相誘導電動機の制御にも使用される。

しかし、内部に起動のためのコンデンサや分相コイルを持つ単相誘導電動機は、起動時にインバータがエラーを起すため使用されることはあまり無い。

鉄道におけるVVVFインバータの利用

利点

VVVF インバータは、きめ細かい回転数やトルクの制御ができ、衝撃が少なく、粘着力の向上で動力軸数の減少が可能であり、回生ブレーキの使用も可能である。そのため、1980年代後半からの半導体素子の進歩よる価格の低下・信頼性の向上などにより、電気機関車や電車の主変換器に用いられることが増加している。

特に電車の場合、電動車と付随車の比率「MT比」を大きく出来、メンテナンスに手の掛かる電動車を減らすことによりライフサイクルコストの低減が期待できる。また床下まで客用スペースに使用するダブルデッカー付随車の連結両数を増加させたり、乗り心地の改善もできる。また電気ブレーキできめ細かな停止制御を行うデジタルATCなどの実現にも欠かせない技術である。

電車の場合、発進時に特に大きな起動トルクが必要である。そこで、速度に応じて電動機への出力の方式を変えることで、滑らかな発進が行えるよう、VVVFインバータは幾つかの異なるパルス出力パターンを持っており、これをパルスモードと呼ぶ。

走行音

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。

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。

また、ドイツのシーメンスでは、発車時の音の変化が音階に聞こえるVVVFインバータ装置を製造しており、日本でも常磐線のE501系、京浜急行電鉄の2100形、新1000形に採用されている。
全2者では、GTO素子を使用しているが、京浜急行電鉄の新1000形ではIGBT素子の試験車も導入した。