VVVF製作所

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VVVFインバーターを作ってみた

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三相誘導モーターを可変速駆動するため、三相交流の電圧と周波数を自在に調整できる装置「VVVFインバーター」を製作します。ワンハンドル型マスコンと組み合わせて、ノッチ位置に応じたすべり周波数指令を生成し、滑らかな加減速性能を実現しています。実車同様に、VVVFインバーター制御による独特の磁歪音が鳴り響きます。

VVVFインバータを用いた交流モータ制御システムの構成

まず、VVVFインバータを使用した交流モーター制御システムの構成について説明します。 VVVFインバータを用いた交流モータ制御システムの構成 このように、直流電源に接続された三相インバータにより、三相交流を生成して交流モーターを回転させます。直流電源は、実物の電車では架線とレールに相当します。電車や電気自動車の主電動機のように回転速度の領域が広く、電流制御やトルク制御が必要な場合、センサーから得られる電流値やモーターの角速度情報などを用いて、三相交流の電圧振幅や周波数を調整(可変電圧可変周波数制御=VVVF制御)する必要があります。電圧や周波数を調整するために使用する制御器には、マイコンなどを使用します。

制御器は、センサーから取得した情報をもとに三相インバーターの出力電圧や周波数などを計算し、インバータのゲート駆動信号を生成します。ゲート駆動信号はゲートドライブ回路を介して、三相インバータを構成するパワー半導体素子に伝達されるようになっており、ゲート駆動信号をもとにパワー半導体素子が高速にON/OFFの切り替えを行うことで三相交流を生成します。


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次に、自作する5インチゲージ向けVVVFインバータ制御システムの機器構成を示します。 5インチゲージ用VVVFインバータ制御システムの機器構成 5インチゲージ電車を駆動する電源には、汎用の鉛蓄電池(電圧12V)を使用します。ただし、5インチゲージ用の主電動機として用いる三相誘導モーターの定格電圧は200Vなので、鉛蓄電池の出力電圧を昇圧して三相インバータに供給する必要があります。昇圧には、12Vのバッテリー出力をAC100Vの疑似正弦波に変換する車載用インバータ(市販品)を使用し、自作のコンバータを用いて整流・平滑化することで、141V程度のDCリンク電圧を得ます。

VVVFインバータ装置は、三相ブリッジ回路・ゲートドライバ・制御基板から構成され、ロータリーエンコーダから得られる速度情報とマスコンハンドルから与えられる指令値をもとにVVVF制御を行い、三相交流を三相誘導モータに供給します。


VVVFインバータ制御回路の作り方

VVVFインバーター用制御基板の製作 まず制御基板を製作します。コネクタやピンソケット、トグルスイッチを配置しました。コネクタを介して、ゲートドライブ回路やコントローラなどに接続して使用します。


VVVFインバーター用制御基板の製作2 書き込み機・デバッガに接続するための、LANコネクタを設置します。


VVVFインバーター用制御基板の完成形 スズメッキ線による配線とはんだ付けを行い、制御基板は完成です。



VVVFインバータの制御回路で圧電ブザーを鳴らしてみた

完成した制御基板のプログラミングを行い、東京メトロ01系・東京メトロ02系の高周波分巻チョッパ装置と同じキャリア変調パターンでスイッチングしてみました。ゲートパルス信号を圧電ブザーに接続して磁歪音を鳴らしています。実際には三相交流を生成する信号が出力されています。
【元動画はこちら】東京メトロ01系の変調パターンを作ってみた



こちらでは、東京メトロ03系・東京メトロ05系の高周波分巻チョッパ装置と同じキャリア変調パターンでスイッチングしてみました。
【元動画はこちら】東京メトロ03系・05系の変調パターンを作ってみた



東武20000系・東武9000系のAFE主回路チョッパ装置と同じキャリア変調パターンでスイッチングしてみました。
【元動画はこちら】 東武20000系・9000系の変調パターンを作ってみた



VVVFインバータの主回路インタフェースの作り方

ゲートドライブ回路 マイコンにより生成したインバータのゲート信号を、実際にIGBTを駆動できるレベルに変換する、ゲートドライブ回路を製作します。


VVVFインバーター装置内部の配線 製作した制御回路とゲートドライブ回路、IGBTモジュールを機器箱に取り付けます。


VVVFインバーター装置背面の端子 VVVFインバータ装置背面はこのようになっています。赤と黒の端子は直流電源の接続用で、黄色・緑色・水色の端子は三相誘導モータに接続する端子です。

自作したワンハンドルマスコン 三相誘導モーターや直流電源装置と接続した状態です。今後は発電ブレーキやフィードバック制御に必要な装置類を追加していきます。


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