VVVFインバーターについて

質問

私は、一年位前からＶＶＶＦインーバーターについて疑問を持っています。まず一つ目が、位相差がなぜ120°（2/3πrad）なのかということ。別に、180°、90°でも良いんじゃないかと思っています。（実は、位相差というものが、コイルか何かをずらすことらしい、ということぐらいしか分かっていません）次に、VVVFインバーターの特徴でもある音が上がったり下がったリするのはなぜなのかという事。電車に乗るとき、いつも思うのです。最後に、120°の位相差でU、V、W,の三方向にいろいろな組み合わせで電流を流しているわけですが、それをどうしたら電車を動かす力になるのか、という事が分かりません。誰か回答お願いします。

回答No.2

ymmasayan · ベストアンサー

>　位相差がなぜ120°（2/3πrad）なのかということ。
交流モーターを回すのはまず９９％三相交流です。
発電所で発電している電気も三相交流です。
三相のバランスをとるには１２０度が最適です。
三人で３拍子のリズムを分担して手をたたくとすると等間隔がいいですよね。
３気筒のエンジンを想像してみてください。
因みに２相の場合９０度の位相差です。往復運動を９０度ずらして２つ組み合わせると回転運動になります。
２気筒エンジンやＳＬ(左右のピストン)がそうです。

>　位相差というものが、コイルか何かをずらすことらしい、ということぐらいしか分かっていません
コイルを３つ円周上に配置して真ん中に磁針をおきます。
３つのコイルに１拍子づつずれた電流を流すと磁針は３拍子で１回転します。
本当はもう少し複雑で「回転磁界」と言うものが出来るのです。

>　VVVFインバーターの特徴でもある音が上がったり下がったリするのはなぜなのかという事。
最初に書いた交流と言うのは、実は更に周波数の高い直流パルス(プラスとマイナスが有る)を合成して
擬似的に合成しています。
このパルスの周波数を速度に応じて変えているのでモーターに振動を与えて音が出るのです。
起動時は速度が上がらないのでパルス周波数が一定で単調です(実は変えても構わない)
そこでこれをちょこっと変えていたずらしたのが「ドレミ電車」です。
あくまでもモーターの回転音ではなくモーターの振動音(騒音)なのです。

>120°の位相差でU、V、W,の三方向にいろいろな組み合わせで電流を流しているわけですが、
>　それをどうしたら電車を動かす力になるのか、という事が分かりません。
先ほど説明した回転磁界で磁石または回転子を回転させます。

お礼

それそれの質問に易しく答えて下さって有難うございました。少し分かったような気がします。

回答No.3

mtaka2

VVVFの音の高さについて。

VVVFの原理は原理についてはANo.2の通りで、3つの電磁石を順次ON/OFFすることで回転を作り出しているわけですが、電磁石は完全ONと完全OFFだけではありません。電磁石の強さをコントロールすることで滑らかな回転が実現できています。
ところが、電気回路的には「完全ON」「完全OFF」以外の中途半端な電圧を作るのは非常に無駄が多いです。そこで生まれたのが「PWM」(パルス幅変調)です。
「50%の強さ」を作るのに、高速なスイッチを使って「50%の割合で完全ONと完全OFFを繰り返す」ようにしたのです。
「25%の強さ」なら「25%完全ONと75%完全OFF」の繰り返しです。
完全ONと完全OFFしか使っていませんので、非常に効率が良くなります。VVVFは、このPWMを使うことを大前提にした制御方法です。

VVVFの電車に乗っていて聞こえてくるのは、このPWMのための「ON/OFFの繰り返し」の周波数の音なのです。
そのため、聞こえてくる音の高さは、モーターの回転数を何倍かしたものになります。
ON/OFFの周期はできるだけ高速なほうが滑らかな回転制御が出来るのですが、スイッチの動作速度には限界がありますので、モーターの回転数によって倍率を変えるようにします。モーターの回転が遅いときはより高倍率でON/OFFしますが、モーターの回転が速い時は倍率をさげる。

そのため、加速中にでる音は、
・電車の速度が上がるにつれてスイッチON/OFFの周期が短くなるため、音がだんだん高くなっていく
・電車がある速度に達すると、PWMの倍率が下がるように切り替わる→スイッチ周期がまた長くなるので、音が低くなる
・さらに加速すると、その倍率でまたスイッチ周期が短くなっていって音が高くなる
・さらにある速度に達すると、PWMの倍率をまた下げることになり、音が低くなる
という繰り返しになるので、VVVF特有の「自動車のトランスミッションを切り替えていく時のような音の変化」が生まれるのです。

参考URL：

http://www2.jan.ne.jp/~jr7cwk/rail/vvvf/vvvf1.html

お礼

そうだったのですか。音の変化の原因はPWMだったのですね。詳しく説明していただきどうも有り難うございます。

回答No.1

Tacosan

詳しくないのですが:
位相差については, こうすると「三相交流」になって扱いやすいから.
電車だと多分「誘導モータ」を使うのですが, こいつは回転数が周波数に依存します. ということで「VVVF」の「VF」が「周波数を変える」ということになるんですが, この「周波数が変わる」ということが「音が上がったり下がったりする」ことにつながります.

お礼

参考になりました。有難うございます。