2021/ 1/28: 「鉄道技術」ページ更新・コンテンツを追加NEW
2020/ 7/27: 「運転台型コントローラの自作・VVVF装置との連携」追加
2020/ 7/ 3: 「3Dプリンターによるブレーキハンドルの製作」追加
2020/ 4/19: 「東武ファンフェスタ2019(2)」追加
2020/ 4/19: 「東武ファンフェスタ2019」追加
2020/ 4/19: 「鉄コレ東武20400系先頭部床下の改造」追加
2020/ 4/19: 「鉄コレ東武10000系先頭部床下の改造(東上10R仕様)」追加
2020/ 4/19: 「鉄コレ東武10000系先頭部床下の改造(本線仕様)」追加
2020/ 4/19: 「マイクロエース製東京メトロ03系先頭部床下の改造」追加
2019/ 7/ 2: 「鉄コレ東武8000系更新車前面床下のリアル化」追加
2019/ 4/21: 「鉄コレ東武8000系原型顔前面床下のリアル化」追加
2019/ 1/27: 「鉄コレ東武6050系冷房装置のディティールアップ」追加
2019/ 1/27: 「鉄コレ東武8000系冷房装置のディティールアップ」追加
2019/ 1/24: 「マイクロエース東武20000系前面床下のリアル化」追加
2018/12/ 9: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-16)」追加
2018/11/ 5: 「東洋GTO-VVVFインバータ筐体の再現(2)」追加
2018/10/31: 「東洋GTO-VVVFインバータ筐体の再現」追加
2018/ 8/12: 「VVVFインバータ用ゲートドライバの製作」追加
2018/ 8/12: 「VVVFインバータのシステム構成」更新
2018/ 7/ 1: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-15)」追加
2018/ 6/24: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-14)」追加
2018/ 5/ 9: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-13)」追加
2018/ 5/ 7: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-12)」追加
2018/ 4/28: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-11)」追加
2018/ 4/14: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-10)」追加
2018/ 4/ 7: 「5インチゲージ電車用速度センサーの取り付け(2)」を追加
2018/ 4/ 5: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-9)」追加
2018/ 3/31: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-8)」追加
2018/ 3/31: 「VVVFインバータを作ってみた」更新
2018/ 3/30: 「カム軸式抵抗制御装置を自作して限流値制御する(2)」追加
2018/ 3/24: 「カム軸式抵抗制御装置を自作して限流値制御する(1)」追加
2018/ 2/ 3: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-7)」追加
2017/12/13: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-6)」追加
2017/12/10: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-5)」追加
2017/11/ 8: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-4)」追加
2017/11/ 3: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-3)」追加
2017/10/30: 「5インチゲージ電車用速度センサーの取り付け(1)」を追加
2017/10/28: 5インチ電車用ブレーキ機構の製作記録を追加
2017/10/26: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-2)」追加
2017/10/25: 「3Dプリンターで作る鉄道模型(東武8000系-1)」追加
2017/10/19: 5インチ電車用ブレーキ機構の製作記録を追加
2017/10/13: 「3Dプリンターの導入とセットアップ」追加
2017/10/13: 東急1000系の解析ページを追加; 東急5000系の解析ページを追加
2017/10/12: TOP画像を変更
2017/10/ 4: 全面リニューアル
2017/ 6/24: サイト開設

【技術×鉄道趣味】VVVFインバータ製作所・CAD鉄道工房

技術同人誌「ゼロから作るVVVFインバータ制御電車」頒布中

VVVF製作所は、2020年春に開催された技術書典応援祭に合わせて技術同人誌「ゼロから作るVVVFインバータ制御電車」を制作いたしました。こちらの本では自作VVVFインバータの回路構成や車体の構造、制御プログラム、試運転実験の様子、ブラシレスDCモーター駆動法などについて幅広くまとめてあり、技術書典にてご好評いただきました。

現在はこちら(BOOTH)にて電子版・物理本の頒布を継続中です。

鉄道趣味と「ものづくり」の融合

近年では3DプリンターやVR機器が普及しつつあり、鉄道趣味の楽しみ方もますます裾野を広げています。マイコンを用いた機器の開発も個人レベルで容易に行えるようになり、実物と同じ仕組みで走る電車自体を作ることも不可能ではありません。

3Dプリンターで造形した鉄道模型

このホームページでは、CADによる設計・プログラミング・電子工作などの「ものづくり」を通して鉄道趣味の新しい楽しみ方を提案していきます。

VVVFインバータは自作できる!

VVVFインバータ製作所では、電車を走らせる装置「VVVFインバータ」を製作し、実物の電車と同じ仕組みで駆動するモータ制御システムを構築しています。 VVVFインバータ装置のほかにも、抵抗制御装置やチョッパ制御装置などの、鉄道用主回路システムの製作手法をご紹介します。

また、実際の電車に使われるVVVFインバータ装置の変調パターンを分析し、その結果をもとにモータ制御用のプログラムを作成しています。作成したプログラムを用いて、自作した5インチゲージ用VVVFインバータ装置に実装し、実際に乗って走らせてみた結果をご紹介します。

自作5のインチゲージ電車をVVVF制御してみた動画です(2019年版)。2017年の実験と比べて、ソフトや駆動機構を改良しています。
【元動画はこちら】自作したVVVF電車の走行実験(2019年版)

自作VVVFインバータで、5インチゲージの電車を駆動する実験動画です。実物の電車と同じ仕組みで、モータが出力するトルクをVVVF制御しています。
【元動画はこちら】自作したVVVF電車の走行実験(2017年版)

自作VVVFインバータのキャリア周波数を、チョッパ制御の電車(東武20000系・東武9000系)に合わせた実験動画です。このように、プログラム次第で変調パターンは自由に変えられます。
【元動画はこちら】VVVFインバータを搭載した電車の走行実験(AFE主回路チョッパ風)

こちらはVVVFインバータのキャリア周波数を東京メトロ01系・02系のパターンに合わせた、高周波分巻チョッパ風です。
【元動画はこちら】VVVFインバータを搭載した電車の走行実験(01系分巻チョッパ風)

インバーターとは?

そもそもインバータとは、直流を交流に変換するために使われる電力変換装置のことです。インバータは変電設備やモーター制御など、多くの用途に用いられていますが、インバータ装置をそのまま一般向けに販売することは少ないため、聞きなれない方も多いと思います。そこで、簡単にインバータの役割や使用例について説明します。インバータが内蔵されている身近な機器の例として、「インバーター蛍光灯」があります。蛍光灯は構造上、交流電圧を印加すれば光りますが、商用電源(コンセントから取り出す電源)の50Hz(関西では60Hz)をそのまま印加すると、蛍光灯が1秒間に50回点滅するため、人間の目に点滅が認識できてしまいます(テレビが1秒あたり30フレームであることを考えると、点滅速度が遅いことが分かると思います)。ちらつきの少ない蛍光灯を実現するためには、蛍光灯の点滅周波数(1秒あたりの点滅回数)を高くすれば良いのですが、ここでインバータが役立ちます。インバータ蛍光灯では、コンセントから得られる交流50Hzを整流器で一旦直流に変換し、インバータを使用して人間の目で認識できないほどの高い周波数の交流に変換しています。蛍光灯以外にも、インバータ装置が役立つ場面はたくさんあります。たとえば、停電が起きてしまったときに、大容量のバッテリーに貯めた電力から商用電源と同じ50Hzの交流を生成できれば、停電時にも普段通りに電気が使えて非常に便利です。ただし、バッテリーからそのまま取り出せるのは直流なので交流に変換する必要があり、ここでインバータが役立ちます。実際に、無停電電源装置(UPS)などが市販されており、家庭用の製品も数多く存在します。

VVVFとは?

電車のモータを駆動するために用いられる電力変換装置「VVVFインバータ」の概要について説明します。VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)とは、可変電圧可変周波数を意味しています。近年、電車を加速させるモーターには三相誘導電動機(IM)や永久磁石同期電動機(PMSM)などの交流モーターが使用されており、停止時から高速走行時までの広い速度領域において適切なトルク(加速力やブレーキ力)を得るためには、モーターに印加する交流電圧の振幅と周波数をきめ細やかに調整する必要があります。工場などで用いられる産業機械向け交流モーターは、商用電源を直接つなげば一定速度で回転しますが、電車のように可変速制御が必要な場合、モーターに印加する周波数を可変(Variable Frequency)にしなければ滑らかな加速ができません。また、電車を加減速させるにはモーターのトルクを制御すればよいのですが、交流モーターの特性によって、同じトルクを発生させるために最適な電圧値が、回転速度により変化します。そのため、可変電圧(Variable Voltage)とする必要があるのです。前述した通り、VVVFインバータ装置は、交流モーターのトルク制御を行うために、架線から得た直流電力を最適な振幅、最適な周波数の交流に変換する役割を担っています。VVVFインバータ装置は主に、電車の床下に搭載されています。

モハラジオによる録音

山手線の新型車両 E235系のVVVFインバータによる変調音です。SiC素子を使用することで、従来のIGBT素子を用いたインバータと比較して、スイッチング周波数が高くなっています。
【元動画はこちら】モハラジオ録音 E235系 VVVFインバータ