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VVVF


ヨミ: ブイブイブイエフ
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今週のおすすめ この記事は第48回のオススメ記事に選ばれました!
より良い音を出す記事に編集していきましょう。

概要


北海道・関東

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解説


インバーターに中の人がいて歌っている。ソレを知るのは工場の中の人だけ。

GTO後藤)君とIGBT(後端)君、影が薄いがPtr(羽多良)君も居たハズ。

ちなみに今後GTO後藤)君の活躍の場が少しずつ減っていく。現在IGBT(後端)君が流。

後藤君の中には絶対音感を持つ者も居るが、後5年ほどで後端君と交代するらしい。

後端君はが小さくシャイなのだが、鉄オタはどちらかというとジャイアンみたいな後藤君の方が好き。

VVVFは、鉄道車両における制御手法の一つ。特にVVVFインバータ装置をす場合もある。Variable Voltage Variable Frequency(「可変電圧可変周波数」の直訳)の頭文字を取ってVVVFであるが、和製英語である。英語圏ではAdjustable Voltage Adjustable Frequencyなどで通っている。なお、VVVFの読みは「ブイブイブイエフ」、あるいは「スリーブイエフ」である。

インバータとは直流電を交流電に変換する装置のことで、VVVFは電圧と周波数(:1間にプラスマイナスを切り替える回数。交流モーターではその回転数に例する)を同時かつ連続的に制御できるということを強調した呼び方である。


なぜVVVF制御なのか


VVVFを用いる一番の理由は、電動機に三相交流モーター(特に誘導モーター)を使用するためである。

従来使われていた直流モーターは、電圧の調整だけで速度制御が行える反面、回転子の電磁石に電を送る摩擦部品(整流子&ブラシ)が必要なため高速回転が難しく、回転騒音が大きい、メンテナンスの手間が余計にかかるなど様々な欠点があった。
誘導モーターはそうした部品がいので小軽量で、高速回転も難なく行える。ただし、回転数が交流電の周波数に例することから、速度制御には電圧だけでなく周波数の制御が必要である。そのため、かつては一定回転数で使用するモーターとして扱われてきたが、VVVF制御の技術が確立されたことで、これを電車の直流モーターと同じように駆動することが可になった。

なお、インバータの回路にダイオードを組み込めば、周波数の制御のみで回生(発電)ブレーキが使用できる。また、3相交流のうち2相の相順を入れ替えればモーターの回転方向、すなわち車両の進行方向が切り替わる。したがって、直流モーターの制御機構に必要だった機械的なスイッチ類が大幅に省略できるのも、VVVF制御の持つ大きな利点である。

現代ではほぼ全ての新車両がVVVF制御であるほか、直流モーター車両をわざわざVVVF制御に改造した例も数多い。近年では誘導モーターに代わってPMSMを使う車両も増えているが、こちらも制御方式はVVVF制御である。


VVVF制御車の音について


VVVF制御の電車が独特な音を奏でるのは、交流電の電圧と周波数をインバータの素子によるスイッチングで連続的に変えていくため、そのノイズモーターコイルから磁励音となって発せられるためである。その音はメーカー車両によって異なり、ちゃんとモーターが動いてくれれば基本的にはなんでも良いため、形式によって音が変わる。ちなみに加速するときでなく減速するときも音を奏でることが多い(回転しているモーターを発電機のように扱い、他の電車電気を送る)。

VVVFインバータに使用されるスイッチング素子(電流のON/OFFをする素子)には、大きく分けてGTOサイリスタ(Gate Turn-Off thyristor)とIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の2種類がある。素子によりスイッチング速度限界があり、GTO較的低いため低速域での変調回数が多く、どうしてもその音がにつきやすい。某社インバーターはこの音が不快な音にならないように制御をいじったものである。IGBTはスイッチング速度が高く変調回数を少なくすることができるため、GTOよりは障りな音が出にくくなる。

初期のVVVF制御インバータにはGTO素子が用いられていたが、2000年代に入ると、装置が小化できることなどからIGBT素子が流となった。近年では、IGBT素子よりもさらにスイッチング速度が高いMOS-FET素子も使われている。

なお、近年普及している「SiC素子」も結局はIGBTなどと同じトランジスタの一種であり、GTOサイリスタ→IGBTのように、スイッチング周波数が大きく変化するわけではない。「SiC素子」であるかどうかを音から判断するのは、本来は困難である。音だけで自信満々に「これはSiC」などと言ってる人がいたらまず疑ってかかろう。他の要因と取り違えている可性が高い。

「SiC素子」って何?

そもそもSiCとは炭化ケイ素という化合物化学式であり、スイッチング素子の名称ではない。したがって、本来GTOサイリスタやIGBTと並列に「SiC素子」という用を用いるのは不適切である。従来のGTOサイリスタやIGBTはシリコン(Si)から製造されていたが、近年Siに代わってSiCから製造されたスイッチング素子が普及しており、それらが便宜上「SiC素子」と表記されてしまっているのが実情である。ちなみに「sic」や「SIC」と表記するのも誤り。まして「SiCモーター」は論外。

SiCを用いた素子は、Siの素子に対し

という長所があり、VVVF装置の劇的な小軽量化ができるほか、モーターに送る交流電を正弦波に近づけられるため、モーターの損失と電磁騒音の低減が可となる。ただし、それだけでは車両全体としての省エネ効果は微々たるものであり、新しい設計のモーターを併用するケースが多い。

スイッチング素子は従来のSiによるIGBTで、回生電流が通るダイオードにのみSiCを用いたものが「ハイブリッドSiC」と呼ばれ、スイッチング素子にもSiCを用いたものが「フルSiC」と呼ばれる。「フルSiCタイプスイッチング素子は、IGBTではなくMOS-FETとなる。

MOS-FETの読みは「モス・エフ・イー・ティー」である。「モスフェット」ではない。


鉄道以外のVVVF


VVVFインバータ制御が用いられる機器は鉄道車両だけではなく、エアコンなどの電製品やいはハイブリッド自動車モーターの制御等、他の分野でも広く用いられている、割とありふれた制御方式でもある。ただし、鉄道以外の分野ではVVVFと特別に区別することなく「インバータ制御」と呼ぶのが普通である。
この記事を閲覧している方々の中にも、「プリウス」や「インサイト」等のハイブリッド自動車が低速走行をしているときや、モーターを内蔵した電製品が起動する際に独特の磁励音がに入ったという経験を持つ方も少なくないだろう。
また、変わった例としてはメリーゴーラウンド等の遊園地遊戯機器の制御にも結構用いられている。特にメリーゴーラウンドに関しては、余程古いものや一部の海外メーカー製を除くとどVVVF制御が採用されている傾向があるようだ。
例えばこのメリーゴーラウンドの場合(YouTubeより)[外部]、ベルが鳴り終わった後の起動の間にJR東日本E351系特急電車を思わせるようなインバータの作動音が聞こえるのがわかるであろう。


関連動画


走行音を録音したもの


■sm4345769[ニコ動]

■sm280407[ニコ動]
■sm2394279[ニコ動]
■sm2580038[ニコ動]

AMラジオを利用してVVVFの音だけ拾い上げたもの <参考:VVVFラジオ録音(タグ検索)[動]

■sm1342554[ニコ動]
■sm5647099[ニコ動]

電車以外のVVVF制御

■sm12076019[ニコ動]
■sm13709214[ニコ動]


関連項目



最終更新日: 19/08/13 18:03
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