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走れ、走れ…

VVVFインバータ制御

電車のモーターには長年、直流モーターが使用されていた。これは、出力・回転数の制御が簡単だったためであったが、その反面、構造が複雑、モーターが重いために軽量化が困難、という欠点を持っていた。
しかし、その欠点を持たないモーターがあった。これが3相かご形誘導電動機(三相交流モーター)である。
このモーターは構造が比較的単純で、そのために小型・軽量だった。しかも、堅牢かつ故障が少ないため、保守が容易であった。しかし、モーターの出力・回転数を制御することが困難であるため、最近まで実用化されなかった。

研究

その後、三相交流モーターを制御するためのVVVF(可変電圧可変周波数)が開発された。これは、電力用半導体であるGTOサイリスタ(電力の遮断ができる)やIGBT(スイッチング周波数が高い)
を使って電流パルスを交流正弦波になるように多数並べ、そのパルス幅を変えてあたかも正弦波交流のように見せかけるのである。これにより、三相交流モーターが制御できるようになった。

改良

当初、VVVFにはGTOサイリスタが使われていたが、GTOサイリスタを使ったVVVFはスイッチング周波数が350Hzほどであった。そのため、不快な音が聞こえたり、電気的な雑音が信号機などに影響を及ぼしたりして、対応に苦しんだ。
そこで、スイッチング周波数が1~2kHzのIGBTが実用化されたが、耐電圧が低かったために改良が加えられていった。これだけスイッチング周波数が高いと、人間の耳に聞こえなくなる。

今後

GTOサイリスタからIGBTに変わった今でも、スイッチング周波数の向上などの研究が行われており、今後もさらに発展する余地がある。


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