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> サイリスタチョッパ制御とVVVFインバーター その3
今日は毎月恒例の米国の雇用統計が発表される日です。
9月は雇用者数が前月比で11万4,000人増と節目の
10万人を越え、失業率は前月比で0.3ポイント改善し
7.8%と7%台に低下しました。

来月は米国の大統領選挙です。
オバマ陣営にとって、こうした雇用統計などの景気指標は
選挙の行方を左右する重要指標です。
今後の米国の経済指標は要注視です。


KATOからリニューアル発売される予定の485系300番台&
485系0番台の発売時期が当初の発売時期である11月から
1ヶ月遅れの12月発売予定へと変更になっています。
また来年の1月発売予定も発表されています。
その1月発売予定についてはスルーの予定です。


ネタ不足により先日から更新している「サイリスタチョッパ制御と
VVVFインバーター」についてです。


VVVF制御 (Variable Voltage Variable Frequency control)
VVVFインバータ制御とはモーターを動かす電力を制御する為の装置の
一種で、直流を周波数と電圧を可変可能な交流へ変換する装置です。
これは可変電圧・可変周波数(variable voltage,variable frequency)が
語源です。
訳すと、「一定しない逆方向への急転換と、頻繁に変化しやすい
反転させる物質(インバーター)の制御方式」(可変電圧・可変周波数
インバータ制御)と言うことです。

直流モーターの回転力の制御は電流で決まるのに対し
VVVFインバータ制御で使用する三相誘導モーターの回転力は、
電圧、周波数、すべり周波数の3要素の制御を可能にしています。

このVVVFインバータはどのように交流を発生させているかと言うと、
PWM(パルス幅変調:Puls Width Modulation)という方法で直流を
うまくチョップし交流に近い電圧を発生させています。
これを行う素子にはGTO(Gate Turn Off)サイリスタや
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などが使われています。
E231系などのVVVF電車に乗っていると発進時など時々唸るような
変調音を聞くことがあるだろうと思います。
これはVVVFインバータが発生する三相交流が完全な正弦波でなく、
コイルや鉄心等を振動させる(磁歪音)高調波を含んだ近似正弦波に
なるからです。
基本的にはGTOサイリスタ素子のインバータは変調音がうるさく、
IGBT素子のインバータは静かだという特徴があります。

電車線または整流器からの直流電力を半導体による速い
スイッチ動作で、三相交流に変換しながら回転力を制御します。
ノッチ進段時のショックがないので乗り心地が良く粘着性能も
優れています。
主回路は無接点化でき主電動機には整流子がないため、
長期のメンテナンスフリーを可能としています。

ここで使用される三相誘導モーターを鉄道の動力として
使用する為には、モーターに最適な周波数・電圧の電気を与えれば
良い事は周知の通りですが、架線からの電力とモーターが
必要とする電気が異なる為に、電気を変換する装置が必要となります。
その為の装置が直流の電力を交流の電力に変換する装置である
インバータ(inverter:逆変換器)です。
インバータ機能を搭載した製品は性能や使い易さが向上し省電力化に
役立っています。
これらの製品のインバータの基本動作は、電子回路により交流電力を
いったん直流に変換し、再び任意の周波数の交流を作り出します。
一般的に前者をコンバータ、後者をインバータと定義していますが、
家電製品ではコンバータ機能とインバータ機能とを合わせ持った
周波数変換装置をインバータと呼んでいます。

余談ですが電力分野の「電源」では他にはCVCF(定電圧・定周波)方式
インバータや、VVCF(可変電圧・定周波),CVVF(定電圧・可変周波数)
等があります。
しかし鉄道の主回路として用いられてはいないようです。
但し車内の交流電源用としてCVCFインバータが用いられたり、
クーラーの制御にVVVFインバータが使用されている。
VVVFインバータの中には、「ベクトル制御」と呼ばれる方式が
ありますが、モーターに加える電圧の位相と流れる電流の位相という
複数のパラメータをモーターの回転位置によって制御する事から、
その様に言われています。

この機能は主に省電力性を増すものとして使用され、209系や
E231系などをはじめとするここ最近の新型電車などで
使用されています。
その前のモデルとなる103系や201系などの普通のモーターは、
架線に流れる電圧によって性能が変わってきますが、E231系や209系の
VVVF誘導モーターは、使う分だけ使うという方式になっています。
要するにブレーキを入れたら全部電気が流れてしまうのが普通の
モーター、ブレーキをいれたら必要な分だけ使うのが誘導モーターです。
この違いによって103系に比べ約50%の省エネが可能になりました。
また種類によっては違った方法で省エネを行っているものも有ります。
これは「電磁回生ブレーキ」といい、205系などから使用されています。
これはモーターの回転を発電用として再利用し、ブレーキを掛けるときに
利用するという方法で、これによりブレーキ時の電圧は
あまりかからなくなります。
この場合103系とのエネルギー比較率は103系に比べ
約60%になります。

VVVFインバータ制御には直流を疑似正弦波に直すという動作を
するため素子が用いられています。
インバータは高速でスイッチングが出来る必要があります。
また電車の消費する電力は非常に大きく、容量も大きくなければ
なりません。
そのような素子にはサイリスタがあるのですが、サイリスタは
一度ゲート電流を加える(点弧)とアノード-カソード間に逆電圧を
加えない限りアノード-カソード間に電流が流れたままに
なってしまいます。
このような素子は自己消弧機能がないといわれ、逆電圧のかからない
直流で高速スイッチングをするというのには向きません。
しかし、GTO(Gate Turn Off)サイリスタはその名前通り、ゲート電流を
切るとA-K間の電流も遮断される自己消弧機能を持っています。
初期のVVVFインバータには基本的にこの素子が使われていました。
ただ、この素子は非常に大容量なのですが少々スイッチング速度が
遅く、インバータを制作すると可聴範囲の音が非常に目立ってしまう
欠点があります。
サイリスタチョッパ制御とVVVFインバーター その3_e0120143_23172261.png
通常のサイリスタSCR回路記号
近年になるとより高速のスイッチングが出来るIGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor)の高耐圧化が進みました。
IGBTを使用するとよりなめらかな変換が出来るため、最近の
インバータはほとんどがIGBT素子を使用しています。

PWMインバータ
PWMインバータの三角正弦比較法を中心に解説します。
前回の電機子チョッパでONとOFFの時間比(duty比)を
変化させることによって
平均電圧が変わるという事を説明しました。
これと同じ原理で交流を発生させているのが下のスイッチング変化で、
この場合は正電圧と負電圧の2レベル方式(OFFがない)です。
普通に見れば、ただの矩形波にしか見えないですが、
この矩形波をリアクトルなどで平滑化したグラフを想像してみてください。
サイリスタチョッパ制御とVVVFインバーター その3_e0120143_23173836.png

正弦波に見えてきませんか?
PWMインバータというのはこの矩形波の出力を平滑化すれば正弦波に
近くなるという原理を利用しているのです。
それでは、どういう風に矩形波のON、OFFのタイミングを
決定しているのかというと、先ほどの図をよく見ると、
下のスイッチングのグラフで正電圧がONのときは、
上の「三角波の電圧<正弦波の電圧」の時で、負電圧がONの時は上の
「三角波の電圧>正弦波の電圧」の時だというのが解ります。
この制御方法を三角正弦比較法といいます。
ここで三角波のことを搬送波(キャリア)と呼び、正弦波のことを
信号波と呼びます。
もしここで信号波の周波数が高くなれば出力される疑似正弦波の
周波数が高くなります。
さらに信号波の電圧が高くなると出力される疑似正弦波の電圧が
高くなります。
これより信号波は出力される疑似正弦波のメイン特性の鍵を
握っていると言うことが解ります。
それなら搬送波が変化したらどうなるかと言うと、信号波を変えずに
搬送波の周波数を変えてみます。
すると出力される疑似正弦波がなめらかになります。
もう少し詳しく言えば、ひとつの正弦波の波を構成するパルスの数が
増えます。

音について
VVVFインバータ電車の発進時などに聞こえる特徴的なあの音です。
原則として私達の耳には疑似正弦波のメイン特性を握る
信号波ではなく、なめらかさ(ひとつの波に入るパルス数)の鍵を握る
搬送波周波数の音が聞こえるということを押さえておいてください。
まず最初に3秒ほど非同期モードという一定の周波数の音がします。
「ピー、ウィ~ン、ウィ~ン、ウィ~ン」の「ピー」に相当する部分です。
この部分では信号波の周波数は徐々に上がっていきますが、
搬送波の周波数が変わらないために我々には一定周波数の
音「ピー」が聞こえます。
次に最初のウィ~ンの部分(同期モード)では、信号波の周波数と
搬送波の周波数が比例します。
そのため常にひとつの波に入るパルス数は一定です。
しかし、周波数が上がってくると素子のスイッチング周波数の限界などの
問題があって、ひとつの波に入るパルス数を減らします。
減らした瞬間から信号波の周波数∝搬送波の周波数の関係で2つめの
ウィ~ンという音が鳴ります。
その後、徐々にひとつの波に入るパルス数(パルスモード)を減らし、
最終的にひとつの波に1つのパルスという1パルスモードに収束し、
列車の速度は限界まで上がっていきます。
ちなみに信号波の電圧は最初から信号波の周波数に比例して
上がっていき、50km/hぐらいで一定に収束します。
この時はVVVFインバータではなくCVCF
(定電圧可変周波数:Constant Voltage Variable Frequency)
インバータとなります。

以上でサイリスタチョッパ制御VVVFインバーター制御について
簡単に説明してきました。
今後、もう少し深く知識を深めるためにも、さらに学んでみようかと!?



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by seasidemintblue-A | 2012-10-05 23:18 | 鉄道全般 | Trackback

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