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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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九州


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、電動機に交流モーター(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、整流子&ブラシ(:回転子の電磁石電気を送るための摩擦部品)があるため高速回転が難しく、回転騒音が大きい、メンテナンスに手間がかかるなど様々な欠点があった。
交流モーターはそうした摩擦部品を持たないが、回転数に例して交流電の周波数を調整する必要があるため、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。三相インバータによるVVVF制御の技術が確立されたことで、初めてこれを直流モーターと同じように駆動できるようになったのだ。

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、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。

現在の新造車両ではVVVF制御は一般的になったほか、直流モーター車両をVVVF制御に改造した事例も数多い。近年では誘導モーターに代わりPMSMを使う車両も増えているが、こちらもVVVF制御で駆動される。


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半導体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、基本的にはモーターがちゃんと動いてくれればなんでも良いため、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半導体素子(電流のON/OFFをする素子)は、大きく分けてGTOサイリスタ(Gate Turn-Off thyristor)・IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の2種類。最近ではMOS-FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistorの使用例も増えてきている。素子によりスイッチング速度限界があり、GTOサイリスタはその速度が遅いため変調回数が多く、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制御をいじったものである。IGBTやMOS-FETはスイッチング速度が速く変調回数を少なくできるため、GTOよりは障りな音が出にくくなる。

SiCは「素子」ではない

元々「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、GTOサイリスタやIGBTと並列で「SiC素子」という表記を用いるのは不適切であるが、説明が面倒なので便宜上「SiC素子」という表記が随所で使われている。化学式なので「sic」や「SIC」と表記するのも誤り。SiCモーター」は論外。

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いる。SiCを用いた素子は、

という長所があるので、VVVF装置を大幅に小軽量化できる上、モーターに送る交流電を正弦波に近づけることで、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ごく僅かなので、良された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からのIGBTで、ダイオードにのみSiCを用いたタイプが「ハイブリッドSiC」、スイッチング素子もSiCを用いたMOS-FETに置き換えたタイプが「フルSiC」と呼ばれる。どちらもIGBTと同じトランジスタの一種である。

余談だが、インバータSiCが使われているかどうかを走行音だけで判別しようとすると、半分くらいの確率で外れるので注意が必要である。


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: 21/01/30 19:02
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