前のページ 1/5 次のページ

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。

◆ 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モータ単独特性は回転数-周波数比例。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使われる。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。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。

この技術は鉄道車両(電車、電気機関車)、自動車(電気自動車、ハイブリッドカーといった輸送用機器やファン、ポンプ設備、圧延機など様々な産業用機器、更には家庭用電気機械器具(エアコン、冷蔵庫)などで広く利用される。

「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・耐電流の低い素子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PWM周波数を高くすると流せる電流量が減少する。

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。(実際はもっとたくさんの素子を直列並列接続している)

欠点は構造上多数の素子が必要なため、素子の特性がそろっていないと動作不良を起こしやすくなる点があり、特に経年が経った装置では日常保守で注意が必要である。

IGBT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、装置のコストダウンやメンテナンス性の向上を図っている。

◆ 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(いわゆる脱調現象)を起こし停止する。

◆ 使用される電動機

前のページ 1/5 次のページ

・可変電圧可変周波数制御 page1

・可変電圧可変周波数制御 page2

・可変電圧可変周波数制御 page3

・可変電圧可変周波数制御 page4

・可変電圧可変周波数制御 page5