VVVFとは何？ わかりやすく解説 Weblio辞書 (original) (raw)

JR西日本281系電車のVVVFインバータ部

山積されている使用済みのVVVF装置（東京総合車両センター）

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、英語: VFD(Variable voltage Drive) (特に鉄道車両用では Traction inverter)）通称Variable voltage variable frequency control（略称VVVF）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、その出力の実効電圧と周波数を任意に制御する手法である。誘導電動機・同期電動機の回転数は基本的に周波数と極数で決まるため、広範囲に回転速度（回転数）を変化させるには周波数を可変にするしかなく、パワーエレクトロニクスの進歩により一般化した。

日本では、鉄道車両の交流電動機駆動方式として、可変電圧可変周波数を英語に直訳した語[1] 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[2]、トリプルブイエフ制御[3]）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[4]。家電分野ではインバータ・エアコンなどに使われる。

なお、概要の項で示される通りVVVFは和製英語であり、英語圏では主にVFD[5]（電車などではTraction inverter）などと呼称もしくは記述されることが多い。

の各記事をそれぞれ参照のこと。

概要

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すべりを増やして定出力とし、すべり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似せている。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全般を指すことがある。

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。

「パルス振幅変調」(PAM)・「パルス幅変調」(PWM) は直流から任意の交流疑似正弦波波形を生成する方式であり、前者はパルス振幅を変えて疑似正弦波を生成する（パルス振幅変調）方式、後者がパルス幅を変えて疑似正弦波を生成する（パルス幅変調）方式である。なおPAMはパルス電圧を昇降圧させる電圧変換部分と周波数を変える部分とで構成される[6]。 PAMは装置の構造がやや複雑になるため今は鉄道車両では採用および搭載されていない。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。

大電力のVVVF制御に多用される方式である、「3レベルインバータ」は耐電圧の低い素子を使用するために電源の中間電圧レベルを供給する回路方式（通常、同容量のコンデンサを直列接続し、その中点の電位を用いる）であるが、動作としてはPWMである。これに対して直流電源電圧をオン－オフする元々の単純な方式を「2レベルインバータ」と言う。スイッチング素子の耐電圧を低く抑えられる他、発生周波数は高くなる高回転領域においてパルス数が減るため高調波の重畳が無視できないため、高調波損失を抑えるという意味では正弦波波形により近いマルチレベルインバータの方が良いものの、高耐圧・高速スイッチングが可能な半導体素子の開発に伴い2レベルインバータに回帰し始めた。

回生制動時には電力の通過方向が逆になり、実質コンバータとしての機能も持ちかねている。

交流での回生制動を可能にする交直変換回路として整流部にPWMコンバータが用いられるようになったが、その理由は力行・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。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の登場以前では2レベルがほとんどであった。例外として、黎明期のGTOサイリスタ素子は高耐圧対応の部品が無かったために敢えて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。東日本旅客鉄道（JR東日本）の209系920番台（登場時は901系C編成）では従来の大電流の平型GTOサイリスタに代わり、冷却装置に取付ける際の絶縁を考慮しなくて済む低耐圧モジュール型GTOを使用して、制御装置の諸費用削減や整備性の向上を図っている。

一つのインバータで複数の非同期電動機 (IM)を駆動することが行われているため、制御装置と電動機の関係が#C#Mで表記されている。例えば1つのインバータを持つ制御装置が4つの非同期電動機を駆動する場合、1C4Mとなる。永久磁石同期モーター (PMSM)などの同期モーター (SM)の場合は、一つの電動機毎に一つのインバータが必要となるため個別駆動 (1C1M) のみとなる[7] が、4つのインバータを持ち4つの同期モーターを制御する制御装置も登場しており、これが1C4Mと表記されることもある。なお、非同期モーターの場合であってもインバータで空転再粘着制御が行われているため、粘着利用率だけを見る場合、軸毎に制御できる個別駆動の方が性能的に有利とされる[8]。

沿革

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、保守費用が非常に安く、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。しかし、回転速度（回転数）が電源の周波数に依存するという特性があったため、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、交流電動機の連続的な速度制御を実現した。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・高耐圧・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。

後に、汎用インバータの製品価格が安くなり、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、同期モーターであるため『すべり』がなく、正確に回転子の位置を調整（フィードバック）しないと同期がずれる『脱調』を起こし、停止する。永久磁石同期電動機の制御の場合、回転子の絶対位置を把握するためモーターと同軸で回転角センサを備えるのがほとんどだが、三相モーターに供給される電圧と電流とを監視し、回転子の絶対位置を把握するベクトル制御（センサレス制御）のインバータも上市されている。

使用される電動機

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）、価格や主制御器の保守などの面で課題が残る。対して誘導電動機は1つのインバーターで2つ以上の電動機を一括制御することも可能である。

同期電動機の採用例を以下に挙げる。

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費用面でも利点がないことから、基本的には使用されない。

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、高回転もしくは常時回転が要求されるファン、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製造販売されている。

スイッチング素子

整流後の直流から三相交流を作り出す回路

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、キャリア三角波と基準電圧波形を比較してスイッチング素子のON/OFFを繰り返し、パルス波によるPWM（Pulse Width Modulation）方式により、位相差が120度の三相交流を作り出すことで、誘導電動機の固定子巻線に、6パターンの電力が供給される。電圧を可変するにはパルス波の幅を変化させ、周波数を変化させるにはスイッチング周期を変えることで行う。パルス波によって作られる制御波形には、1つのパルス波によって交流の正弦波に近い波形を作り出す2レベル制御波形、1つのパルス波の上にもう1つのパルス波を上積して2段階のパルス波にすることにより、波形をより正弦波に近い形を作り出す3レベル制御波形がある。

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バイポーラトランジスタ(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、IGBTを2段直列に接続することで、電圧を2段階で加圧して、2段階のパルス波を発生させることにより、さらにより正弦波に近い出力を得ることができる3レベルインバータが開発され、電力変換器の低損失化や波形ひずみの軽減ができるようになった。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。2010年代以降は、従来のケイ素（Si）より高耐圧でかつ高速動作も可能、高温下でも使用でき機器を小型化できる炭化ケイ素(SiC)を一部（ショットキーバリアダイオード）に使用したハイブリッド型ものや、さらにはSiCを全面的に用いたMOSFETが導入されつつある[9]。SiCとはゲルマニウムやシリコンと同じ半導体の素材であって、当然SiC-IGBTなどもあり得る。従ってIGBTなどの半導体素子そのものを指すには不適切であるが、SiCというスイッチング素子があるかのような表現が広く用いられている[10]。

SiC-MOSFETはSi-IGBTに比べゲート - ソース容量が低くなる[11] ことからスイッチング損失が低く省電力である[12]。損失が減って発熱が減ることで、回生ブレーキの使える範囲も広くなる[12]。また、SiC-MOSFETはスイッチング速度が速く、時間当たり多くのオンオフが可能であり、これにより高速域でも高いパルスモードを使うことができ、モーターの高調波損失を低く抑えることが可能となる[12]。

産業用や家電用のインバータに用いられることが多い素子である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[13] ことからほとんど使用されていない。実績を上げると、バイポーラトランジスタの一種であるパワートランジスタを利用した電車として、JR東日本901系A編成（後のJR東日本209系900番台）や同701系、西日本旅客鉄道（JR西日本）207系0番台が挙げられる。

制御方式

モーター特性に合わせた制御

VVVFインバータ制御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合わせ、その回転数・周波数にほぼ比例した電圧を加える制御方式である。

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すべり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。商用周波数での起動の困難のために無用に大出力の電動機を採用していた。

電動機の1相誘起電圧と回転数

しかし、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て定常運転出力にあった小型のモータ－を採用できるようになった。

今、鉄心の磁気飽和による最大磁束以下の Φm 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_Φm_ のほぼ正弦波の磁束が鎖交する。コイル誘起電圧 e {\displaystyle e}

国鉄（→JR東日本）207系900番台

旧日本国有鉄道（国鉄）における無整流子電動機駆動方式の開発は、1972年（昭和47年）12月にクモヤ791形交流試験電車を用いて、同期電動機と（サイリスタモーター）とサイクロコンバータを用いての試験が実施されている[14][15][16]。ただし、今日の自励式電圧形PWM-VVVFインバータとは異なり、サイリスタによる他励式に近い電流形サイクロコンバータによるものであって、回路構成や制御方法は大きく異なる。試験にあたっては勾配条件などを考慮して日豊本線の柳ヶ浦 - 杵築間の約30 kmの区間で行われた[14][15][16]。日立製作所と富士電機の機器が使用され、試験結果は良好であったが機器の大きさや重量面において大きな問題が残された[14][15][16]。

その後、1979年（昭和54年）から翌1980年（昭和55年）にかけて青函トンネル用電気機関車を想定した悪条件下における信頼性確保や保守性向上のため、サイリスタコンバータとPWMインバータ、大出力の650 kW出力誘導電動機2台が試作製造され、試験台試験（台上試験）を実施している[14][17]。装置は日立がインバータ装置と全体まとめ、三菱が変圧器と電源側変換装置・東芝が主電動機を担当した3社共同によるもので[18]、素子には逆導通サイリスタ(RCT)が採用された[18]。試験結果は良好であったが、青函トンネル開業時期の遅れと国鉄の財政悪化などから採用は見送られた[14]。ここまでの試験は無整流子電動機への取り組みであり、厳密にはVVVFインバータ制御とは直接関係しない。

1984年（昭和59年）には将来の北陸新幹線など、整備新幹線への採用を想定したVVVFインバータ制御の試験として、在来線用のGTOサイリスタ素子を使用したVVVFインバータ装置と誘導電動機など機器一式を用意し、試験台試験（台上試験）を実施した[14]。この試験結果を受け、実際に装置一式を車両に艤装して走行試験を実施することとなった[14]。

試験車には廃車を控えた101系1両を使用し、装置一式（GTOサイリスタ素子（4,500 V - 2,000 A）を使用したVVVFインバータ装置（東芝製[19]）など・1C4M制御）をクモハ101-60の床上に艤装し、1985年（昭和60年）12月から1986年（昭和61年）1月までの期間で2回に分けて試験を実施した[14][20]（モハ100-35はT車代用、また測定用電源（SIV）を床上配置[14]）。試験車は国鉄浜松工場で構内走行試験後、東海道本線静岡 - 豊橋間で本線走行試験を実施した[14]。Aタイプ主電動機（後述）は構内走行が12月11 - 16日、本線走行は17 - 19日、Mタイプ主電動機は構内走行が1月10 - 16日、本線走行は20 - 22日に実施された[20]。

構内走行試験

本線走行試験

試験を2回に分けたのは、国鉄では在来線用の通勤形電車から高速走行をする新幹線車両まで多様な車両が必要なことから、主電動機には特性の異なる4種類8台の誘導電動機（いずれも150 kW出力）が用意され、これらの試験を実施するためであった[14]。誘導電動機はMT993形、MT993A形、MT993B形、MT993C形の4種類があり、大きく分けて電気装荷重視形のAタイプ2種類と、磁気装荷重視形のMタイプ2種類を使用した[14]。

その後、国鉄分割民営化を控えた1986年（昭和61年）秋に落成した207系900番台でVVVFインバータ制御（形式名SC20）を正式採用した試作車が完成した[20]。その207系900番台はJR東日本に引き継がれたが、東日本を含むJR各社でのVVVFインバータ制御の本格的な採用は私鉄にやや遅れ、1990年以降となる。

JR各社のVVVFインバータ制御量産形式の第一号（在来線）

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。

私鉄・公営交通における取り組み

営業用としては日本初の熊本市交通局8200形電車。

高速鉄道としては日本初の大阪市交通局20系電車

直流1,500 Vの新製車としては日本初の近鉄1250系[注 1]

一方で、旧国鉄での開発と並行し、各電機企業で1975年（昭和50年）頃から大手私鉄・公営交通と手を組んだ開発が盛んとなり、特に日立製作所、東洋電機製造、東京芝浦電気、三菱電機が下記のとおり相次いで現車試験を実施している。

1978年（昭和53年）11月、帝都高速度交通営団（現・東京地下鉄 = 東京メトロ）千代田線において6000系1次試作車に日立製作所製のVVVFインバータ装置（2,500 V - 400 Aの逆導通サイリスタ素子を使用・1C4M制御）と130 kWのかご形三相誘導電動機を搭載した現車走行試験が実施された[21][22]。これが日本国内における最初のVVVFインバータ装置を搭載しての走行試験である[23][18][24]。

1980年（昭和55年）5月から6月、東洋電機製造が相鉄6000系電車にVVVFインバータ装置（2,500 V - 400 A（他社製）逆導通サイリスタ素子を使用・175 kW主電動機4台制御×2台）を搭載して、かしわ台工機所構内ならびに本線かしわ台 - 相模大塚間で終電後に深夜走行試験を実施した[25][26][27]。1次試作品の機器は客室内に艤装されたもので、室内を大きく占有するほどのものであり、実用化にはほど遠いものであった[27]。相模鉄道で走行試験を行ったのは、当時東洋電機製造のVVVFインバータ装置の開発は相鉄相模大塚駅近くの相模工場で行っており（その後、横浜市内の横浜製作所に統合）、工場の近くに相鉄かしわ台工機所があったことが理由である[27]。

同年11月には日立製作所水戸工場で東京急行電鉄から譲渡されたデハ3550形にVVVFインバータ装置（前述の営団地下鉄と同様のシステム）を搭載して構内走行試験が実施されている[28][18]。試験に際しては、台車もインバーター駆動用として新たに開発されたKH-105台車に交換された。KH-105台車は軸箱支持にロールゴム式、車体支持をボルスタレス式、けん引装置として一本リンク式を採用した軽量台車で、その構造の多くが後の国鉄ボルスタレス振り子台車TR908、TR908Aに反映された。駆動装置は、中空軸たわみ継手式平行カルダンととWN継手式平行カルダンを各1台車づつ採用し、特性比較を行った。

1981年（昭和56年）9月から翌1982年（昭和57年）4月にかけて、大阪市交通局100形106号車にGTOサイリスタ素子を使用したVVVFインバータ装置（第三軌条方式）と160 kW主電動機2台を装架して、森之宮検車場構内ならびに中央線において終電後に深夜走行試験が実施された[29][24]。これは、当時大阪市交通局が導入を想定した小型地下鉄向けのシステムとして開発・試験を行ったものである[30]。なお、同時に107号車が抵抗制御車のまま牽引車として使用された[27]。装置は東京芝浦電気・日立製作所・三菱電機の順番で、1組ずつ試験が実施されたもので[29][31][32][24][33][18]、最初に東京芝浦電気製の装置で行われた走行試験は、世界初のGTO-VVVFインバータ制御の本線走行である[29][24]。

1982年（昭和57年）5月中旬、東洋電機製造が相模鉄道6000系を使用して再度のVVVFインバータ制御（2,500 V - 500 A（自社製）逆導通サイリスタ素子を使用・175 kW主電動機4台制御）の深夜走行試験を実施、そして9月から10月に阪急電鉄1600系1601号車にこのVVVFインバータ装置（150 kW主電動機4台制御）を搭載して、車庫内ならびに本線上で走行試験が実施された[34][27][24]。相模鉄道での試験（2次試作）は、1次試作時から大幅に改良されたもので、床下に艤装できるほど小型化された[27]（ただし、床下艤装作業を省略するため、機器は室内に艤装された[27]）。阪急電鉄の試験では、国内では架線電圧1,500 Vにおいて初めて110 km/hの高速運転、100 km/hからの回生ブレーキ走行となった[34][26]。

実用化

営業用として初のVVVFインバータ制御車は、1982年（昭和57年）8月2日に投入された熊本市交通局8200形電車である（1983年のローレル賞受賞）[24]。このインバータは逆導通サイリスタ(RCT)を用いたもので、ほかに国内の営業用車で用いたのは札幌市交通局8500形電車（同様に路面電車）だけである[35]。最初に路面電車へ採用されたのは、架線電圧が低く高耐圧・高電流の素子が不要であること（直流1,500 V用の半分で済む）、軌道回路が不要で誘導障害のおそれがないことがあげられる[35]。

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インバータ制御車は、1984年（昭和59年）3月28日に落成した大阪市交通局20系電車（2代目）となる[35][36]（第三軌条方式・直流750 V電化）。しかし、日本国内の高速鉄道として初めての実用化であり、性能確認や誘導障害などの試験が長引いたため、営業運転開始は12月24日まで遅れた[36]。このため、営業開始日順となる下表では4番目にある。

架線電圧1,500 Vでの日本初のVVVFインバータ制御車は東急6000系電車 (初代)のVVVFインバータ改造車である[24]。1983年（昭和58年）にデハ6202に日立製作所製2,500 V耐圧型GTOサイリスタ素子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[24]。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4,500 V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750 V電化）。量産・営業開始は1986年10月）[35]、さらに直流1,500 V電化用の新製車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[35]。

本格的な量産車は、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。

発展

IGBT素子を使用したインバータ搭載車は、1992年の営団（現在の東京メトロ）06系・07系電車が、JRでは1995年の223系1000番台が初めてとなる[37]。また、JR西日本207系電車0番台（後に体質改善工事によりIGBTに取り替え）とJR東日本701系電車（後にIGBTに取り替え）、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、後年にはGTOに取り替え）ではパワートランジスタ(PTr)素子を使用したインバータが採用されていた。

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インバータ制御車が主体となった。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[38]。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[39]。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インバータ制御車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電車のVVVFインバータ制御車統一を達成し、JRグループでも2019年9月にJR四国が全営業電車のVVVFインバータ制御車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。

初期のVVVFインバータ制御車一覧

日本初の熊本市交通局8200形電車（1982年【昭和57年】）から1986年（昭和61年）までに登場のVVVFインバータ制御車両一覧。

鉄道事業者 形式 電気方式 営業開始日 両数 製作所 型番 備考
熊本市交通局 8200形 直流600 V 1982年8月2日 2 三菱 SIV-244 路面電車、1電動機RCT素子2006年にはIGBT素子（MAP-121-60VD155）に交換
東京急行電鉄 6000系（初代）（廃系列） 直流1,500 V 1984年7月25日（日立車） 1 日立 VF-HR-102 実用化試験車として形式内の一部を改造1電動機、GTOサイリスタ素子
1 東芝 BS-1410-A
1 東洋 RG611-A-M
近畿日本鉄道 1250系（→1251系→1420系） 1984年10月31日[40] 2 三菱 SIV-G135 直流1,500 Vとしては日本初の本格的VVVFインバータ制御車。GTOサイリスタ素子正式形式名を2度変更している
大阪市交通局 20系（2代） 直流750 V 1984年12月24日 *96 三菱 SIV-V564-M-1/2 第三軌条方式地下鉄および編成された鉄道車両としては日本初のVVVFインバータ制御車大阪市営地下鉄中央線・谷町線（現在は撤退）・近鉄（東大阪線 →）けいはんな線専用。GTOサイリスタ素子現在は日立IGBT素子（VFI-HR1415C）に交換
日立 VF-HR-103 (A·B)
東芝 BS-1408-ABS-1408-B
西武鉄道 8500系 1985年4月25日 *12 日立 VF-HR-105 山口線用、新交通システム初のVVVFインバータ制御車、GTOサイリスタ素子2001年にはIGBT素子（VFI-HR2410A）に交換
札幌市交通局 8500形 直流600 V 1985年5月13日 2 三菱 SIV-V324-M 路面電車、RCT素子。改良型の8510形・8520形もRCT素子。2012年にはIGBT素子（MAP-062-60VD241）に交換
阪急電鉄 2200系（形式消滅） 直流1,500 V 1985年7月17日 2 東芝 BS-1425-A VVVF試験車、形式内の一部（2720・2721）GTOサイリスタ素子。阪神・淡路大震災の後2720は電装解除（2721は被災し廃車）、後に6000系に編入
新京成電鉄 8800形 1986年2月26日 *96 三菱 MAP-148-15V06 (A·B·C·D) 直流1,500 Vとしては世界で初めて長編成を組み関東地方初の本格的VVVFインバータ制御車、GTOサイリスタ素子
近畿日本鉄道 3200系 1986年3月1日 *42 三菱 MAP-174-15V10 GTOサイリスタ素子
東京急行電鉄 9000系 1986年3月9日 *117 日立 VF-HR-107/112 9001Fは107、9002F以降は112、GTOサイリスタ素子
小田急電鉄 2600形（廃系列） 1986年3月17日 1 三菱 MAP-184-15V09 形式内の一部改造1995年にはIGBT素子（MAP-178-15V50）に交換
近畿日本鉄道 6400系 1986年3月 *12 日立 VF-HR-108 南大阪線専用、GTOサイリスタ素子
東京急行電鉄 7600系（廃系列） 1986年5月1日 *9 東洋 RG614-A-M 7200系改造、GTOサイリスタ素子
北大阪急行電鉄 8000形 直流750 V 1986年7月1日 *70 東芝 INV002-A0 第三軌条地下鉄（自社線・大阪市営地下鉄御堂筋線）GTOサイリスタ素子、残存車はIGBTに交換
東大阪生駒電鉄→近畿日本鉄道 7000系 1986年10月1日 *54 日立 VF-HR-104 (A·B) 第三軌条地下鉄（近鉄東大阪線→けいはんな線・大阪市営地下鉄中央線専用）、GTOサイリスタ素子（奇数編成三菱、偶数編成日立）量産先行車4両は、近鉄子会社の東大阪生駒電鉄により1984年7月製造一部制御装置はIGBT素子（奇数編成はMAP-142-75VD339、偶数編成はVFI-HR2415J）に交換
三菱 SIV-V564-M-3/4MAP-144-75V03 (A·B)
日本国有鉄道（国鉄） 207系900番台（廃系列） 直流1,500 V 1986年11月 *10 東芝・東洋・三菱・富士 SC20 国鉄としては唯一VVVF。なお、JR化後にJR西日本が同名の系列を造っている（互換性は全くなく外見も全く異なる）ため、「廃形式」ではなく「廃区分番台」とされることもある。
阪急電鉄 7300系 1986年 1 東洋 RG614-C-M 京都線用、形式内の一部（#7310）GTOサイリスタ素子、後に登場する8300系の初期3編成（RG619-A-M）と酷似した制御装置である。現在はリニューアルに伴い電装解除の末付随車化、IGBT素子（RG6021-B/B1-MとRG6026-A-M）に交換

全車両がVVVFインバータ制御車（車輌数に「*」が付いているもの）の形式には、両数に付随車を含む。一部車両がVVVFインバータ制御車の形式には、両数に付随車を含まない。

利点

欠点

インバータの駆動音

シーメンス製のインバータ制御装置を搭載していた京急2100形電車。

シーメンス製のインバータ制御装置を搭載していたJR東日本E501系電車。

VVVFインバータ制御車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。これらの音は主に交流電動機から発せられ、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インバータ制御車[42]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ものも存在する。

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[43]。このことから、このタイプのVVVFインバータ制御装置を「ドレミファインバータ」[44]、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系電車や京浜急行電鉄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。

備考

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。

主なメーカー

他

参考文献

脚注

注釈

  1. ^ 1420系に改番。

出典

  1. ^ Variable Voltage Variable Frequency
  2. ^ 草思社「全国鉄道事情大研究」大阪都心部・奈良編 用語解説では「スリーブイエフと言う」と書かれている。
  3. ^ ビコムの一部ビデオ作品でこのように呼ばれる場合がある。
  4. ^ 20世紀末以降の電気自動車やハイブリッドカーはインバータ制御が一般的であるため、単に「コントローラー」と呼ばれる。
  5. ^ 英: variable-frequency drive
  6. ^ “インバータの回路および制御について”. 明電舎. 2024年5月15日閲覧。
  7. ^ 鉄道車両用 PMSM主回路システム 東芝 2013年
  8. ^ 原崇文, 古関隆章, 岡田万基, 久富浩平「誘導機駆動鉄道車両の超過角運動量補償に基づく再粘着制御」『電気学会論文誌. D, 産業応用部門誌』第133巻第9号、電気学会、2013年9月、909-916頁、doi:10.1541/ieejias.133.909、ISSN 09136339、NAID 10031193736。
  9. ^ 例：JR東日本 E235系の主回路システムの紹介
  10. ^ SiCに積極的な東芝も使用していた
  11. ^ SiCスイッチの特性と設計上の注意点 (1/2) - EDN Japan 2020年12月5日閲覧。
  12. ^ a b c JR EAST Technical Review-No.51 - E235系の主回路システムの紹介 P.42-43 JR東日本, NAID 40020553020
  13. ^ 厳密には、低損失かつ高耐圧のものが製造できない状況である。
  14. ^ a b c d e f g h i j k l 交友社「鉄道ファン」1986年5月号「国鉄のVVVF車両開発」pp.64 - 66。
  15. ^ a b c 日立製作所『日立評論』1973年11月号「日本国有鉄道納め 110kW交流電車用サイリスタモータ (PDF) 」。
  16. ^ a b c 富士電機『富士時報』1974年2月号「車両用無整流子電動機 (PDF) 」。
  17. ^ 日立製作所『日立評論』1981年6月号「電気機関車用大容量PWM方式インバータ (PDF) 」。
  18. ^ a b c d e 日本鉄道サイバネティクス協議会『サイバネティクス』2006年1月号技術情報「創生期における日立のインバータ開発」pp.64 - 66。
  19. ^ 東芝『東芝レビュー』1986年4月号「昭和60年の技術成果」 p.378。
  20. ^ a b c 交通協力会『交通技術』1986年7月号「VVVF電車走行試験結果」pp.25 - 27。
  21. ^ 日立製作所『日立評論』1979年10月号「鉄道車両におけるパワーエレクトロニクスの応用 (PDF) 」。
  22. ^ 日立製作所『日立評論』1979年5月号「車両用誘導電動機のインバータ制御 (PDF) 」。
  23. ^ 日立製作所創業75周年記念事業推進委員会社史編纂小委員会編『日立製作所史4』p.393。
  24. ^ a b c d e f g h 電気車研究会『鉄道ピクトリアル』1986年8月号特集「インバータ制御電車」pp.18 - 24。
  25. ^ 東洋電機製造『東洋電機七十五年史』pp.186。
  26. ^ a b 東洋電機製造『東洋電機技報』第100号（1998年2月）「交通におけるACドライブ」pp.14 - 15。
  27. ^ a b c d e f g レールアンドテック出版『インバータ制御電車開発の物語』pp.72 - 77。
  28. ^ 日立製作所『日立評論』1986年3月号「鉄道車両へのパワーエレクトロニクスの応用 (PDF) 」。
  29. ^ a b c 東京芝浦電気「東芝レビュー」1982年5月号「可変電圧可変周波数（VVVF）インバータを使用した鉄道車両用誘導電動機駆動システム」pp.488- 492。
  30. ^ レールアンドテック出版『インバータ制御電車開発の物語』pp.20 - 24。
  31. ^ 日立製作所『日立評論』1981年11月号「GTOインバータによる車両用誘導電動機の制御 (PDF) 」。
  32. ^ 三菱電機『三菱電機技報』1983年7月号「交流可変速技術の車両への応用」 (PDF) 」pp.3 - 4。
  33. ^ 「大阪市高速電気軌道第7号線京橋〜鶴見緑地間 リニアモータ地下鉄建設記録」 - 大阪市交通局（1990年）
  34. ^ a b 東洋電機製造『東洋電機技報』第55号（1983年5月）「VVVFインバータ制御による車両用誘導電動機駆動システム」pp.2 - 11。
  35. ^ a b c d e 電気車研究会『鉄道ピクトリアル』1986年8月号特集「インバータ制御電車」pp.14 - 17。
  36. ^ a b レールアンドテック出版『インバータ制御電車開発の物語』pp.16 ・30。
  37. ^ ただし、06系は1992年12月に、07系は1993年1月に落成。営業開始は1993年3月。これ以前に、東西線の05系第14編成を使用して、IGBT素子VVVFインバータの走行試験を実施している。
  38. ^ E217系は209系と同様のGTOサイリスタのVVVFを採用して登場し、機器更新で全車E233系に準ずるIGBTの装置に交換され、E235系の導入で置き換えが行われている。
  39. ^ ただしこれも事業者により扱いが異なり、阪和線用に増備されたJR西日本223系2500番台が同0番台の編成に組み込まれた際、0番台の機器更新はこの時点で行われず、GTOとIGBTが混在する形で組成した。
  40. ^ 鉄道ピクトリアル2023年5月号『特集：インバータ制御の技術』p.23「1980〜90年代民営・公営鉄軌道のインバータ制御電車セレクション」
  41. ^ 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
  42. ^ 三菱GTO車では1250系→1420系、1422系列、5200系、5800系、22000系「ACE」などが、日立GTO車では1220系列や6400系列などが該当。
  43. ^ シーメンス・ジャパン・レールシステムズの担当者によれば、一種の「遊び心」で、ソフトウエアにより周波数を段階的に引き上げる独自技術で音階をつけたという。（京急電鉄：「歌う電車」近く姿消す 毎日jp、2011年11月20日、2011年11月20日閲覧。）
  44. ^ “通称「ドレミファインバータ」は運行を終了しました”. 京浜急行電鉄 (2021年7月21日). 2021年12月21日閲覧。

関連項目

外部リンク

表話編歴電動機（電気モータ）
AC - 交流 DC - 直流 PM - 磁石 SC - 整流子
基本型 交流電動機（ACモータ） 直流電動機（DCモータ）
DCモータ 単極電動機 直流整流子電動機 ユニポーラモーター（英語版）
AC SC 機械整流子 反発電動機（英語版） 交流整流子電動機
AC SC 電気整流子 無整流子電動機(BLDC) スイッチトリラクタンスモータ(SRM)
AC 誘導電動機(induction (IM)) 隈取磁極型誘導電動機 Dahlander pole changingモータ（英語版） 誘導電動機(SCIM) Wound rotor モータ（英語版）(WRIM) リニア誘導モータ（英語版） かご形三相誘導電動機 巻線形三相誘導電動機 単相誘導電動機
AC 同期電動機(SM) 同期電動機 永久磁石同期電動機(IPMSM / SPMSM) リラクタンスモータ(SyRM) 同期電動機(WRSM)
Special magneticmachines 二次励磁電機（英語版） リニアモーター サーボモータ ステッピングモーター 主電動機 ボイスコイルモーター
非磁性 静電モーター 超音波モータ
Enclosure Type Hermetic seal（英語版） TEFC（英語版）
コンポーネントおよびアクセサリー 電機子 制動チョッパ（英語版） ブラシ（電動）（英語版） 整流子 直流制動（英語版） 界磁コイル（英語版） 回転子 スリップリング 固定子 コイル
モーター制御器（英語版） AC/ACコンバータ（英語版） アンプリダイン（英語版） 可変速ドライブ（英語版） (ASD) サイクロコンバータ（英語版） 直接トルク制御（英語版）(DTC) Metadyne（英語版） モーター制御器（英語版） モーターソフトスターター（英語版） セルモーター インバータ サイリスタ位相制御 可変電圧可変周波数制御(VFD) ベクトル制御（英語版） 電圧コントローラ（英語版） Ward Leonard control（英語版）
歴史, 教育,レクリエーション利用 電動機の歴史（英語版） ボールベアリングモータ バーロー・ホイール リンチモータ（英語版） メンドシノモータ（英語版） マウスミルモータ（英語版）
未来的、, 実験的 コイルガン レールガン 超伝導機（英語版）
関連トピック Blocked rotor test（英語版） 円線図（英語版） 制御理論 電磁気学 Open-circuit test（英語版） 開ループ制御 パワーウェイトレシオ 二相交流
人物 フランソワ・アラゴ ピーター・バーロー サミュエル・ハンター・クリスティ マイケル・ファラデー ゼノブ・グラム ジョセフ・ヘンリー イェドリク・アーニョシュ ハインリヒ・レンツ ジェームズ・クラーク・マクスウェル ハンス・クリスティアン・エルステッド ヒポライト・ピクシー ヴェルナー・フォン・ジーメンス フランク・スプレイグ ウィリアム・スタージャン ニコラ・テスラ
関連項目 オルタネーター 発電機 インチワームモータ（英語版）
電磁気学のSI単位 C - 静電容量 (F) Q - 電荷 (C) G, B, Y - コンダクタンス、サセプタンス、アドミタンス (S) κ, γ, σ - 誘電率 (S/m) I - 電流 (A) D - 電束密度 (C/m2) E - 電界 (V/m) Φ_E - 電束 (V·m) χ_e - 電気感受率 U, Δ_V, Δ_φ; E - 起電力 (V) L, M - インダクタンス (H) H - 磁界強度 (A/m) Φ - 磁束 (Wb) B - 磁束密度 (T) χ - 磁化率 μ - 透磁率 (H/m) ε - 誘電率 (F/m) P - 電力 (W) R, X, Z - 抵抗、リアクタンス、インピーダンス (Ω) ρ - 電気抵抗率 (Ω·m)
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