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丸見え"旬"サーチで可変電圧可変周波数制御のサイトを見る
if (wgNotice != '') document.writeln(wgNotice);可変電圧可変周波数制御出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 JR東日本 209系 JR西日本281系のVVVFインバータ部

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）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、その出力交流電力の実効電圧と周波数を任意に制御する手法である。

日本では、鉄道車両の交流モータ駆動方式として、可変電圧可変周波数を英語に直訳した"Variable Voltage Variable Frequency"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）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・エアコンなどと使われる。なお、VVVFの同義語としてAVAF(Adjustable Voltage Adjustable Frequency)も使われる。

1 概要 2 沿革 3 使用される電動機 4 スイッチング素子 5 制御方式 5.1 VVVF制御はモーター特性に合わせた制御 5.2 電圧/周波数 ( V/f ) 一定制御 5.3 （回転部）センサレス・トルクベクトル制御 5.4 （回転部センサ付き）トルクベクトル制御 6 日本国内の鉄道におけるVVVFインバータの利用 6.1 歴史 6.1.1 初期のVVVF制御車両一覧 6.2 利点 6.3 欠点 6.4 インバータの駆動音 6.5 備考 7 おもなメーカー 8 脚注 9 関連項目

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他に、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ピーク-ピークが架線電圧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[1]。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考えて良い。

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。前述のようにVVVFは和製英語である。中国や韓国などでは、日本メーカの呼称の影響を受けてこう呼ぶ場合もある。

「PAM」、「PWM」というのは直流から任意の交流疑似正弦波波形を生成する方式に使用され、前者がパルス振幅を変えて交流波形を生成する（パルス振幅変調）もの、後者がパルス幅を変えて交流波形を生成する（パルス幅変調）方式でありPAMは電圧を昇圧（降圧）させる部分と交流に変換するインバータ部で構成される。 PAMは装置がやや複雑になるため鉄道車両では使われていない。 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。

VVVF制御に欠かせない方式である、「3レベルインバータ」と言うものはサイリスタより高い周波数で使用可能な耐電圧の低いIGBTを使用するための回路方式であるが、動作としてはPWM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PWMコンバータが用いられる様になったが、それは力行・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レベルインバータ主回路の場合+側UVW、-側UVWの出力素子が2個直列、これを3組並列にした回路であり各素子は電源電圧の1/2以上の耐圧素子が必要である。また出力電圧は全電圧-0Vの二段階となり正弦波に近い波形とするにはPWM周波数をかなり高めにしなければならない[2]。

3レベルインバータ主回路は各素子が2個直列になりこれがさらに2組直列、これを3組並列にしたもので、上から1つ目、3つ目の中点を6本まとめて電源電圧の中間点へ接続する構成である。中間電圧を利用するため、全電圧-1/2-0Vの三段階の電圧が得られ、より正弦波に近い波形を得られる。 3レベルインバータは構造上多数の素子が必要で中間電圧を作るためにコンバータが必要[3]であることから交流電車を中心に量産採用されている。ただし例外的にJR西日本207系0番台は、耐圧の低いパワートランジスタの3レベルインバータ[4]とチョッパによる中間電圧発生回路を搭載する[5]。

IGBT素子を使用するようになってから目にするようになった「2レベルインバータ」や「3レベルインバータ」は、素子の耐電圧性能とその搭載数を指し、前者は高耐圧の素子が1つのもの、後者は低耐圧の素子を2つ搭載したものである。IGBT以前では2レベルがほとんどであった[6]。

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。特にかご形誘導電動機は構造が簡単なため、保守のコストが非常に少なく、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が、回転速度が電源の周波数に依存するため、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、交流電動機を連続的に速度制御することを実現した。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・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。

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。

近年、汎用インバータも価格が下が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。

なお、ブラシレスDCモータの可変速制御回路も回路的にはインバータと全く同じであるが、モータが同期モータですべりが無いため正確に回転子の位置をフィードバックしないと同期はずれを起こし停止する。

単相誘導電動機は以下の点で可変速運転、特に低周波数での運転に適さないこと、また同出力であれば三相誘導電動機の方が安価でありコスト面でもメリットがないことから基本的には使用されない。

一定回転数以下になると始動用スタータコイルを制御する遠心力スイッチが動作しなくなり始動動作を繰り返す。コンデンサ始動式では低電圧時十分な進相電流を流すことができずある点で突然始動するか過電流で異常停止する。

もっとも、単相誘導電動機を用いた既設機器を可変速運転したい需要があることも事実であり、あまり低い回転数で使えないことを条件に、ファン、ポンプ用途に限定して単相電源-単相出力のインバータが販売されている。

可変電圧可変周波数制御では、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、パルス幅を変動させることで疑似的に三相交流を作り出す。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ゲートターンオフサイリスタ（GTOサイリスタ）が用いられるようになった。さらに1990年代終盤以降はスイッチング速度が速い絶縁ゲート型両極性トランジスタ（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、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。産業用や家電用のインバータに用いられることが多いMOS-FETや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[7]ことからほとんど使用されていない。

VVVF制御とは実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ぴったり合わせた原理的な制御方式である。

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ため、電圧を何段階かに切り換えたり、巻線の結線を変え、あるいは回転子のコイルにスベリ周波数に見合った直列起動抵抗を挿入して最大トルクを得る様に調整するなど、電気特性的にはイレギュラーな簡易的起動方法を採用して、起動後の定常運転状態では軽負荷で使っていた。電動機の1相誘起電圧と回転数

ところ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た訳である。

今、鉄心の磁気飽和による最大磁束以下の Φ [m] 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 [m] 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、鎖交磁束をとする時、

モーターの端子電圧 = 供給電圧はこれ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。そのためエアコンなど家電製品などにもインバータ方式（ = VVVF方式）が採用されている。

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。

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

センサの保守が必要ない。鉄道車両等の、電動機の外形寸法に制約のある用途では、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。トルク・回転数推定のための、高速な演算回路が必要である。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・ハイブリッドカーなど、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。近年では、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。

熊本市交通局 8200形大阪市交通局 20系

世界で始めて営業運転に投入されたVVVFインバータ制御車両は、1979年に就役した西ドイツ国鉄（現・ドイツ鉄道）120型電気機関車と言われている。

日本でも、1977年頃から、日本国有鉄道や帝都高速度交通営団でメーカーと共同で各種研究試験が行われていたといわれている。特に国鉄では青函トンネルを走行する電気機関車用と北陸新幹線を走行する新幹線車両用に開発が行われていたとされている。

営業用車両としては、1982年に熊本市交通局8200形電車が日本初となる（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）を用いたものであったが、一般的なゲートターンオフサイリスタ(GTO)素子による初のVVVFインバータ搭載車両は、1984年に登場した大阪市営地下鉄中央線の20系電車（2代目）となる（高速鉄道としては日本初。しかし、試験が長引いたため、営業開始日順となる下表では4番目にある）(両車は後に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)素子に交換される)。

架線電圧1500Vでの初のVVVFインバータ制御車両は東急6000系電車のVVVF改造車である。1983年にデハ6202に日立製作所製2500V耐圧型GTO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4500V耐圧型GTO素子VVVFインバータを同時に改造した。

新車としては1984年の近鉄1250系電車1251編成(現・近鉄1420系電車1421編成)が最初だが、試作として2両編成1本が製造されたのみである。本格的な量産は、1986年の新京成電鉄8800形電車や東急9000系電車辺りからで、これをきっかけに多くの大手私鉄や地下鉄にインバータ車両の試験導入を経て本格的な導入が開始された。

IGBT素子を利用したインバータ搭載車両は1992年の東京地下鉄06系電車・07系電車が初となる。またJR西日本207系電車0番台とJR東日本701系電車、及びJR東日本901系電車A編成（後に209系電車900番台に改造されたが装置は三菱電機製のGTOに取り替えられた）ではパワートランジスタ素子を使用したインバータが採用されている。

日本初の熊本市交通局8200形電車からのVVVF制御車両一覧。

鉄道事業者形式電気方式営業開始両数備考熊本市交通局 8200形電車直流600V 1982年8月2日 2 路面電車、1電動機、三菱RCT素子現在はIGBT素子に交換東京急行電鉄東急6000系電車 (初代)（廃系列）直流1500V 1984年7月25日 3 実用化試験車として、形式内の一部を改造。1電動機近畿日本鉄道 1250系電車（現・1420系電車）直流1500V 1984年10月 2 直流1500Vとしては日本初の本格的VVVF車三菱GTOサイリスタ素子大阪市交通局 20系電車直流750V 1984年12月24日 96 第三軌条式地下鉄としては日本初のVVVF車現在は日立IGBT素子に交換西武鉄道 8500系電車三相交流750V 1985年4月25日 12 新交通システム初のVVVF車（山口線用）現在はIGBT素子に交換札幌市交通局 8500形電車直流600V 1985年5月13日 2 路面電車、RCT素子阪急電鉄 2200系電車直流1500V 1985年 2 形式内の一部（2720・2721）、VVVF試験車、東芝GTOサイリスタ素子新京成電鉄 8800形電車直流1500V 1986年2月26日 96 直流1500Vとしては世界で初めて長編成を組み、関東初の本格的VVVF車近畿日本鉄道 3200系電車直流1500V 1986年3月1日 42 三菱GTOサイリスタ素子東京急行電鉄 9000系電車直流1500V 1986年3月9日 117 日立GTOサイリスタ素子小田急電鉄 2600形電車直流1500V 1986年3月17日 1 形式内の一部、改造近畿日本鉄道 6400系電車直流1500V 1986年3月 66 南大阪線専用日立GTOサイリスタ素子東京急行電鉄 7600系電車直流1500V 1986年5月1日 9 改造北大阪急行電鉄 8000形電車直流750V 1986年7月1日 70 第三軌条地下鉄（自社線・大阪市営地下鉄御堂筋線）東芝GTOサイリスタ素子近畿日本鉄道 7000系電車直流750V 1986年10月1日 54 第三軌条地下鉄（けいはんな線・大阪市営地下鉄中央線専用）日本国有鉄道（国鉄） 207系電車直流1500V 1986年11月 10 国鉄としては唯一阪急電鉄 7300系電車直流1500V 1986年 1 形式内の一部(♯7310）。京都線用後に登場する8300系の初期3編成と酷似した制御装置である

全車両がVVVF制御の形式には、両数に付随車を含む。一部車両がVVVF制御の形式には、両数に付随車を含まない。

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きめ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、あるいは加減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両あたりの製造コストが若干上昇したとしても、編成全体では低コスト化が可能である。電動車比率の低下は、省メンテナンス化にもつながる。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例が多かったため、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、このころのインバータ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。非常ブレーキ使用時以外は、高速域から低速域までの全ての減速を電気ブレーキ・回生ブレーキのみで行うことができ、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、メンテナンスコストが低減できる。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信号ノイズ対策が大きな要因）。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[8]であることが挙げられる。 VVVFインバーター装置搭載の車両に乗車しながらAMラジオを付けると、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。 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。近年では、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、インバーターの設定とモーターを含めた従動側の応答性がマッチしていない場合、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。

京浜急行電鉄 2100形

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、同じメーカー・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GTO-VVVFインバータ車のほとんどが[9]、また小田急1000形の一部や新京成8800形、JR東日本209系910番台、IGBTではJR西日本223系2000番台1次車の東芝製制御装置車の様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。

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。

東急9000系
東急9000系の発車・停止時の磁励音。GTO-VVVF黎明期に近い86年の音東急2000系
東急2000系の発車・停止時の磁励音。改良された92年の音東急5000系
東急5000系の発車・停止時の磁励音。日立製作所では最新のIGBTの音 JR西日本223系0番台
JR西日本223系0番台の発車時の磁励音。JR西日本207系1000番台などにも使われているGTOの音京急2100形
京急2100形の発車・停止時の磁励音。シーメンス製の独特なGTOの音うまく聞けない場合は、サウンド再生のヒントをご覧ください。

現在、電車用の

安川電機東芝三菱電機日立製作所東洋電機製造富士電機シーメンス明電舎

^ モータ単独特性は回転数-周波数比例 ^ PWM周波数を高くすると流せる電流量が減少する ^ 交流電車は整流用コンバータが必要なため装置の新設スペースは不要 ^ 3ステップと表記されているが同義 ^ コスト高のため1000番台以降採用されていない ^ 例外として、黎明期のGTO素子は高耐圧なものがなかったために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。また、JR系東日本209系920番台電車では従来の大電流の平型GTOサイリスタに代わって400V系工場向け汎用インバータで使われている低耐圧のGTOサイリスタモジュール使用のコスト検証や耐久試験で3レベルGTO素子インバータが使われた ^ 厳密には、低損失かつ高耐圧のものが製造できない ^ 著しい大音量による騒音ではなく、環境音より高い周波数の音であることによる ^ 1420系（1421Fを除く）、1220系、1020系、5200系、6400系、7000系など。 ^ 上の「東急2000系」または「JR西日本223系」参照。東急2000系は東急9000系と同じメーカーのものだが、90年代のものである前者の音よりも間延びしていてパルスパターンも減っている。

パワーエレクトロニクスインバータ電源回路チョッパ制御磁励音赤い電車 - 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。 NewPP limit report Preprocessor node count: 336/1000000 Post-expand include size: 2115/2048000 bytes Template argument size: 1304/2048000 bytes Expensive parser function count: 0/500 --> カテゴリ: 電動機 | 電子工学 | 鉄道車両の制御方式表示本文ノート個人用ツールナビゲーションメインページコミュニティ・ポータル最近の出来事最近更新したページおまかせ表示ウィキペディアに関するお問い合わせヘルプヘルプ井戸端お知らせバグの報告検索ツールボックスリンク元リンク先の更新状況特別ページ他の言語最終更新 2008年12月29日 (月) 13:43 （日時は個人設定で未設定ならばUTC）。
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