VVVFインバータ制御

VVVFインバータ制御とは

VVVFインバータ制御（Variable Voltage Variable Frequency inverter control）は、交流電動機を効率的に制御するための技術です。インバータを用いて、交流電力の周波数と電圧を自在に変化させ、電動機の回転数やトルクを最適に制御します。この技術は、特に鉄道車両の駆動システムで広く採用されており、「インバータ方式」と呼ばれることもあります。

英語圏ではVFD（variable-frequency drive）とも呼ばれます。VVVFは和製英語で、可変電圧可変周波数を意味しています。

背景と課題

従来の交流モーターは、商用電源周波数（日本では50Hzまたは60Hz）で動作させる必要があり、任意の速度で運転することが困難でした。そのため、設計された回転数以外での運転では、効率の低下やトルク不足といった問題が発生していました。VVVFインバータ制御は、これらの問題を解決するために開発されました。

トルクの特性

交流モーターのトルクは、電圧（V）と周波数（f）の関係に依存します。具体的には、トルク（τ）は(V/f)^2に比例し、誘導電動機の場合は、さらにすべり周波数（fs）に比例します。同期電動機の場合は、電機子磁界と回転子磁界の角度（δ）のsin(δ/2)に比例します。


τ＝K1･Φ･I　････････････K1,K2:比例定数、Φ:鎖交総磁束、I:電機子電流
　　≒K2･(V/f)^2･fs　･･････V:電圧、f：電源周波数、fs:すべり周波数（ただし停動トルクよりかなり小さい領域）
　同期電動機では τ≒K･(V/f)^2･sin(δ/2)　･･････


この特性を利用して、V/fを一定に保ちながら周波数を徐々に増加させることで、低速から高速まで任意の速度で運転できます。

インバータによる任意周波数電源の生成

パワー半導体技術の進歩により、インバータを用いて任意周波数と電圧の交流電力を生成することが可能になりました。これにより、交流モーターをその特性に合わせて最適な状態で駆動できるようになり、従来の課題を克服しました。

初期のインバータでは、方形波駆動や数パルスの近似正弦波駆動が用いられていましたが、PWM（パルス幅変調）技術の導入により、より正弦波に近い駆動が可能となり、高調波による損失や悪影響を低減しました。高速域では、搬送波周波数を回転数の整数倍にする「パルスモード」や「同期モード」が採用され、低速域では「非同期モード」が用いられます。

鉄道車両におけるVVVFインバータ制御

鉄道車両では、VVVFインバータ制御は非常に重要な役割を果たしています。

• - V/f一定領域（定引張力領域）： V/fを一定に保ち、一定トルクで加速します。
• - CVVF領域（一定電圧可変周波数領域）： 電圧を一定に保ちながら周波数を上げ、高速域での運転を実現します。
• - 定出力領域： 電圧と電流を一定に保ち、すべり周波数を増やして加速します。
• - 特性領域： トルクが回転速度の2乗に反比例し、出力も低下する領域です。

誘導電動機のトルク制御には、「V/f一定・すべり周波数制御」と「ベクトル制御」があり、後者はトルク変化に対する応答性が高く、より精密な制御が可能です。

直流電動機制御との比較

VVVFインバータ制御は、直流電動機制御と同様に、電機子誘起起電力と内部抵抗降下を加えることで起動させます。VVVF制御では、周波数と位相が加わる点が異なりますが、基本原理は同じです。

また、「定出力領域」と「特性領域」も直流電動機の弱界磁領域や特性領域と類似しており、VVVFインバータ制御は直流電動機制御の延長線上にあると言えます。

インバータ制御の対象となる交流モータ

初期のVVVFインバータ制御では、電磁石同期電動機が用いられていましたが、現在ではかご形三相[[誘導電動機]]が主流です。近年では、高効率な永久磁石同期電動機の採用も増えています。家電製品や小型機器では、ブラシレス直流モータや二相[[交流]]駆動が用いられることもありますが、多くは三相[[交流]]です。

低速回転での効率低下を避けるため、直接駆動モータ（DDM）には、すべり回転のない同期電動機が選ばれる傾向があります。

まとめ

VVVFインバータ制御は、交流電動機の効率的な制御を実現する上で不可欠な技術です。その柔軟性と精密な制御性能は、鉄道車両をはじめとする様々な分野で幅広く活用されており、今後もその応用範囲はさらに拡大していくと考えられます。

関連事項

• - 電気車の速度制御
• - 可変電圧可変周波数制御

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