VVVFインバーターの仕組みを徹底解説！電車のあの音の正体とは？

電車の発車時や停車時に聞こえる「ウィーン」という独特の機械音。特に、加速するにつれて音階が上がっていく様子は、まるで楽器がメロディーを奏でているかのようです。
この不思議な音の正体が、VVVFインバーターという装置です。鉄道ファンからは「ドレミファインバータ」などと愛称で呼ばれることもあります。

しかし、VVVFインバーターはただ音を鳴らしているわけではありません。実は、現代の電車がスムーズに、そして効率的に走るために不可欠な、非常に重要な役割を担っています。

この記事では、そんなVVVFインバーターの仕組みや、なぜ音が出るのか、そして私たちの生活にどのようなメリットをもたらしているのかを、専門的な知識がない方にも分かりやすく解説していきます。電車の「あの音」に隠されたハイテク技術の世界を、一緒に覗いてみましょう。

VVVFインバーターの仕組みとは？基本をわかりやすく解説

まず初めに、VVVFインバーターが一体どのような装置で、何をしているのか、その基本的な部分から見ていきましょう。少し専門的な言葉も出てきますが、かみ砕いて説明しますのでご安心ください。

VVVFインバーターの基本的な役割

VVVFインバーターの最も重要な役割は、モーターの回転速度を自由自在にコントロールすることです。 電車を動かしているのは、主電動機（メインモーター）と呼ばれる強力なモーターです。このモーターの回転数をきめ細かく制御することで、電車は滑らかに発車したり、スムーズに加速したり、そして狙った位置に正確に停止したりすることができます。

そのためにVVVFインバーターが行っているのが、電力の変換です。具体的には、架線から取り込んだ「直流」の電気を、モーターを動かすための「交流」の電気に変換しています。 さらに、ただ変換するだけでなく、その交流電気の「電圧」と「周波数」という2つの要素を、走行状況に応じて巧みに変化させているのです。

この「電圧と周波数を変化させる」という点が、VVVFインバーターの最大の特徴であり、スムーズな走行性能と高い省エネ性能を実現する上で非常に重要となります。

「VVVF」って何の略？それぞれの意味を解説

「VVVF」というアルファベットの羅列は、“Variable Voltage Variable Frequency” の頭文字を取ったものです。 日本語に訳すと「可変電圧・可変周波数」となり、その名の通り「電圧と周波数を変えられる」という意味になります。

電車が発車する時は、まず低い電圧と低い周波数の電気をモーターに送り、ゆっくりと回転させ始めます。そして、スピードが上がるにつれて、電圧と周波数を徐々に高くしていくことで、スムーズな加速を実現しているのです。 この電圧と周波数をセットで変化させる制御が、VVVFインバーター制御の根幹をなす仕組みです。 もし周波数を変えずに電圧だけを操作したり、その逆を行ったりすると、モーターに過大な電流が流れて故障の原因になったり、十分な力を得られなかったりするため、両者をバランスよく制御することが不可欠なのです。

インバーターの心臓部「パワー半導体素子」とは

VVVFインバーターが、直流を交流に変換したり、電圧や周波数を変えたりできるのは、「パワー半導体素子」と呼ばれる電子部品のおかげです。 これは、電気を流したり止めたりするスイッチの役割を果たす部品で、人間の目では追えないほどの超高速でON/OFFを繰り返すことができます。

VVVFインバーターの内部では、このパワー半導体素子が複数組み合わされており、それらが緻密なプログラムによって制御されています。 高速でスイッチングを繰り返すことで、直流の電気を切り刻み、擬似的に交流の波形を作り出しているのです。 このスイッチングのON/OFFの時間幅を調整する技術（PWM制御と呼ばれます）によって、出力される電圧や周波数を自由自在にコントロールしています。

つまり、VVVFインバーターの性能は、この心臓部であるパワー半導体素子の性能に大きく左右されます。 技術の進歩とともに、より高速で効率的なスイッチングが可能な新しい素子が登場し、VVVFインバーターも進化を続けています。

なぜ鳴るの？VVVFインバーターの「あの音」の正体

VVVFインバーターの仕組みが分かったところで、次はいよいよ、多くの人が最も気になるであろう「音」の謎に迫ります。なぜ電車は発車時にあの独特な音を奏でるのでしょうか。

音が鳴る原理はモーターの「振動」

VVVFインバーターから発せられる独特の音は、専門用語で「磁励音（じれいおん）」または「磁歪音（じわいおん）」と呼ばれます。 この音の発生源は、実はインバーター装置そのものではなく、モーター本体です。

前述の通り、VVVFインバーターはパワー半導体素子の高速スイッチングによって、モーターに送る電気を作り出しています。このスイッチングの際に発生する微細な電気的ノイズが、モーターに流れる電流に重なってしまいます。
電流が流れると、モーター内部のコイルや鉄心には磁力が発生します。この磁力がスイッチングの周波数に合わせて細かく変動することで、モーターの部品がごくわずかに変形・振動します。 この非常に小さな振動が、モーター全体をスピーカーのように震わせ、私たちの耳に「音」として聞こえるのです。

つまり、あの音はVVVFインバーターがモーターを制御するために高速でスイッチングを行っている証拠であり、いわば「モーターのうなり声」のようなものだと言えます。

発車時と停車時で音が変わる理由

電車の速度によって音が変化するのは、VVVFインバーターがモーターに送る電気の周波数（スイッチング周波数）を変化させているからです。

発車時、電車は停止状態から徐々にスピードを上げていきます。この時、VVVFインバーターはモーターの回転数を上げるために、出力する交流の周波数を少しずつ高くしていきます。 これに伴い、スイッチングのパターンも変化し、モーターを振動させる周波数も変わっていきます。低い周波数の振動は低い音として、高い周波数の振動は高い音として聞こえるため、加速するにつれて音程が上がっていくように聞こえるのです。

そして、ある程度の速度に達すると、制御方式が切り替わり、スイッチングによる音が聞こえにくくなるか、全く異なる音質に変化します。逆に減速して停車する際には、加速時とは逆のプロセスをたどるため、音程が下がっていくように聞こえます。このように、音の変化は、VVVFインバーターが電車の速度に合わせてきめ細かくモーターを制御している結果なのです。

制御方式には、主に低速域で使われる「非同期モード」と、中高速域で使われる「同期モード」があります。 音が大きく変化するタイミングは、これらのモードが切り替わる瞬間であることが多いです。

音階に聞こえる「ドレミファインバータ」の秘密

VVVFインバーターの音の中でも特に有名なのが、京浜急行電鉄の一部の車両などで聞かれた、音階を奏でるような音、通称「ドレミファインバータ」です。 これは、シーメンス社（ドイツ）製のVVVFインバーターを搭載した車両で聞かれる特徴的な音でした。

なぜ音階に聞こえるのかというと、その秘密はスイッチング周波数の制御方法にあります。一般的なVVVFインバーターが周波数を滑らかに変化させるのに対し、このシーメンス社製のインバーターは、周波数を段階的に、かつ音楽の音階と同じ比率で変化させるようにプログラムされていました。

意図的にメロディーを奏でるように設計されたわけではなく、当時の技術でモーターを最も効率的かつ安定して制御する方法を追求した結果、偶然にも音階のように聞こえる制御パターンになったと言われています。このユニークな音は多くの鉄道ファンを魅了しましたが、装置の更新に伴い、現在では聞ける車両が少なくなってきています。 このように、VVVFインバーターの音は、メーカーや採用されている半導体素子の種類、製造された年代によって様々なバリエーションがあり、その違いを聞き分けるのも鉄道趣味の楽しみの一つとなっています。

VVVFインバーターがもたらす3つの大きなメリット

VVVFインバーターは、特徴的な音だけでなく、鉄道の運行に多くの素晴らしいメリットをもたらしました。ここでは、その代表的な3つのメリットについてご紹介します。

メリット①：優れた省エネ性能

VVVFインバーターがもたらす最大のメリットの一つが、高い省エネルギー性能です。 VVVFが登場する前の主流だった「抵抗制御」という方式は、モーターに流す電気の量を抵抗器で調整していました。 これは、電気の一部を熱として捨てることでモーターの力を制御する仕組みで、特に発車時には多くのエネルギーが無駄になっていました。

一方、VVVFインバーターは、必要な分だけ効率よく電気をモーターに供給するため、エネルギーの無駄がほとんどありません。 さらに重要なのが「回生ブレーキ」との相性の良さです。 回生ブレーキとは、電車がブレーキをかける際に、モーターを発電機として利用し、そこで生まれた電気を架線に戻して他の電車が再利用する仕組みです。 VVVFインバーターはこの回生ブレーキを非常に効率的に行うことができ、消費エネルギーを大幅に削減することに貢献しています。この省エネ性能は、環境負荷の低減にも繋がる重要なメリットです。

メリット②：スムーズな加減速と乗り心地の向上

VVVFインバーターはモーターの回転数を非常に滑らかに制御できるため、乗り心地が大幅に向上しました。 従来の抵抗制御では、制御が段階的だったため、加速する際に「ガクン」というショックを感じることがありました。

VVVFインバーター制御の電車では、電圧と周波数を連続的に変化させることで、まるでアクセルペダルを踏み込むようにスムーズな加速が可能です。 これにより、乗客が感じる衝動が少なくなり、快適な移動が実現しました。また、雨や雪で線路が滑りやすい状況でも、モーターの力をきめ細かく制御して車輪の空転（空回り）や滑走（ロックして滑ること）を瞬時に検知し、最適な力で走行を続けることができます。 この緻密な制御により、定時運行などの安定した輸送サービスが支えられています。

メリット③：メンテナンスの負担軽減

3つ目のメリットは、メンテナンスの手間が大幅に削減されたことです。 VVVFインバーターで制御されるモーターは「三相誘導電動機（交流モーター）」という種類が主流です。 このモーターは構造が非常にシンプルで、従来の直流モーターに必要だった「ブラシ」や「整流子」といった摩耗しやすい部品がありません。

これらの部品は定期的な点検や交換が必須で、メンテナンスに多くの手間とコストがかかっていました。ブラシが不要になったことで、部品交換の手間が省け、保守作業の負担が大幅に軽減されたのです。 また、機器の故障が減ることは、鉄道運行の信頼性向上にも直結します。VVVFインバーターと交流モーターの組み合わせは、車両を長く安定して使い続ける上で、非常に大きな利点となっているのです。

知っておきたい！VVVFインバーターの種類と進化

VVVFインバーターは、その心臓部である「パワー半導体素子」の進化とともに、性能を向上させてきました。ここでは、時代を彩った代表的な素子と、その特徴について見ていきましょう。

初期の主流「GTOサイリスタ」

1980年代から1990年代にかけて、VVVFインバーターの主流だったのがGTO（Gate Turn-Off）サイリスタという素子です。 GTOの登場により、それまで難しかった大電力のON/OFF制御が可能になり、VVVFインバーターが鉄道車両に本格的に採用されるきっかけとなりました。

GTOサイリスタを搭載したVVVFインバーターは、比較的低い周波数でスイッチングを行うため、「ヒューン」という低く、力強い磁励音が特徴です。 電車の発車時に、段階的に音が上がっていく様子がはっきりと聞き取れるものが多く、往年のVVVFサウンドとしてファンに親しまれています。しかし、スイッチング速度が後述のIGBTに比べて遅いため、スイッチング時に発生する電力損失が大きいという課題がありました。また、素子自体をOFFにするために大きな制御回路が必要で、装置が大型化しやすいという側面もありました。

現在の主流「IGBT」

1990年代後半から現在に至るまで、VVVFインバーターの主流となっているのがIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）です。 IGBTはGTOに比べてはるかに高速なスイッチングが可能で、より小さな電力で制御できるという大きなメリットがあります。

高速スイッチングが可能になったことで、いくつかの利点が生まれました。まず、スイッチング時の電力損失が減少し、インバーター装置全体の効率が向上しました。 また、スイッチング周波数を可聴域（人間が聞こえる周波数帯）よりも高く設定できるため、磁励音を大幅に低減させることが可能になりました。 近年の電車が発車時に静かなのは、このIGBTの性能向上によるものです。さらに、装置全体の小型化・軽量化も実現し、車両設計の自由度を高めることにも貢献しています。

次世代のパワー半導体「SiC」

そして今、IGBTに代わる次世代のパワー半導体として注目されているのがSiC（シリコンカーバイド：炭化ケイ素）です。 従来の半導体がSi（シリコン）を材料としていたのに対し、SiCはシリコンと炭素を化合させた新しい材料で作られています。

SiCは、従来のSiに比べて電力損失が非常に少なく、高温にも強いという優れた特性を持っています。 これにより、VVVFインバーターの電力変換効率をさらに向上させることができます。スイッチング時の損失が少ないため発熱も抑えられ、冷却装置を簡素化できることから、装置の一層の小型・軽量化が可能となります。
エネルギー効率の向上は、さらなる省エネに直結するため、環境性能が重視される現代において非常に重要な技術です。 すでに一部の新型車両でSiC-VVVFインバーターの採用が始まっており、今後の鉄道技術のスタンダードになっていくと期待されています。

実は身近な存在！電車以外のVVVFインバーター活用例

これまで電車の技術としてVVVFインバーターを解説してきましたが、実はこの「インバーター」という技術は、私たちの身の回りの様々な製品で活躍しています。モーターの回転数を効率よく制御する技術は、多くの家電や産業機器に欠かせないものなのです。

家庭で活躍するエアコンや冷蔵庫

おそらく最も身近なインバーターの活用例が、家庭用のエアコンです。 「インバーターエアコン」という言葉を聞いたことがある方も多いでしょう。

インバーターを搭載していない昔のエアコンは、設定温度になるまでフルパワーで運転し、設定温度に達すると運転を停止、そして室温が上がるとまたフルパワーで運転を再開する、というON/OFF運転を繰り返していました。これでは電力消費が大きく、室温の変化も激しくなりがちです。

一方、インバーターエアコンは、モーターの回転数を細かく制御することで、状況に応じて最適なパワーで運転を続けることができます。 最初に一気に部屋を冷やした後は、弱いパワーで運転を続けて室温をキープするため、ON/OFFの繰り返しがなく、電力の無駄を抑えて快適な温度を保つことができます。これは冷蔵庫や洗濯機など、モーターを使う他の家電製品でも同様に応用されている省エネ技術です。

工場の機械を動かす産業用モーター

工場の生産ラインで使われるベルトコンベアやポンプ、ファンといった産業用機器でも、インバーターは不可欠な存在です。

例えば、液体を送り出すポンプの流量を調整したい場合、インバーターがなければバルブの開け閉めで調整するしかありません。しかし、これではモーターは常にフルパワーで回り続けており、エネルギー効率が非常に悪くなります。

ここにインバーターを導入し、必要な流量に合わせてモーターの回転数そのものを制御すれば、大幅な省エネが実現できます。 また、機械の動きを滑らかにしたり、急な動きによる負荷を軽減したりすることもできるため、機械の長寿命化にも貢献します。生産現場の効率化と省エネルギー化において、インバーターは重要な役割を担っているのです。

エレベーターやエスカレーターの制御

私たちが日常的に利用するエレベーターやエスカレーターのスムーズで安全な動きも、インバーター技術によって支えられています。

特にエレベーターでは、発車時や停止時の滑らかさが乗り心地に直結します。VVVFインバーターでモーターを精密に制御することで、ショックのないスムーズな動き出しと、目的の階に寸分違わず停止することを可能にしています。 人が乗っているかどうか（負荷の大きさ）を検知し、それに応じてモーターの力を最適化することで、無駄な電力消費を抑えるといった高度な制御も行われています。

また、エスカレーターにおいても、利用者がいない時に自動で速度を落としたり、停止したりする省エネ運転ができるのも、インバーターによるモーター制御のおかげです。このように、インバーターは様々な場所で、私たちの快適で安全な生活を静かに支えています。

まとめ：VVVFインバーターの仕組みを理解して音を楽しもう

この記事では、VVVFインバーターの仕組みから、特徴的な音の正体、そして私たちの生活にもたらすメリットまでを解説してきました。

【この記事のポイント】
– VVVFインバーターは、直流の電気を交流に変換し、その電圧と周波数を自在に変えることでモーターの回転を制御する装置です。
– 電車の発車時に聞こえる「あの音」は、インバーターのスイッチングによってモーターが振動することで発生する「磁励音」です。
– VVVFインバーターは、省エネ、乗り心地の向上、メンテナンスの軽減といった大きなメリットをもたらしました。
– 心臓部である半導体素子は「GTO」→「IGBT」→「SiC」と進化を続け、より高性能になっています。
– 電車だけでなく、エアコンやエレベーターなど、身の回りの多くの製品でインバーター技術は活躍しています。

単なる機械音だと思っていた電車の音も、その裏側にある高度な技術や仕組みを知ることで、少し違って聞こえてくるかもしれません。次に電車に乗る機会があれば、ぜひその発車音に耳を澄ませてみてください。加速していく音の変化から、VVVFインバーターが一生懸命に仕事をしている様子を感じ取ることができるでしょう。