インバータインバータの概要

インバータと逆の機能を持つ回路（装置）はコンバータ、または整流器（順変換器）とも言う。

回路方式

回路は一般に半導体素子（電力用半導体素子）と受動素子とを組み合わせて構成される。回転変流機と比べ機械的要素が不要なため効率がよく、保守が容易である。波形の出力方法としてパルス変調が用いられる。

電圧形インバータ

出力インピーダンスが小さく、電圧源として動作するものである。コンバータ回路の直流側に大容量のコンデンサが並列に接続されている。

電流形インバータ

出力インピーダンスが大きく、電流源として動作するものである。順変換回路の直流側に大容量のリアクトルが直列に接続されている。

電力変換系のインバータ回路

DC-ACインバータ回路系のインバータ回路

初期の頃はロイヤー回路が使われていた。トランスを飽和させるブロッキング発振型で、決して性能は良いものではなかった。現在でもこのブロッキング発振型のロイヤー回路は無機EL用の点灯回路として使われている。また、液晶のバックライト用蛍光管（冷陰極管）の点灯用としてはこれとよく似た構成のコレクタ共振型回路というものが使われている。両者はたびたび混同されるが動作原理は異なる。

蛍光管点灯用のインバータ回路

DC-ACインバータ回路系のインバータ回路であるが、チョークコイル型を用いたLC共振型と共振トランスを利用して効率改善を図った共振型があり、インバータ回路分野ではかなり特殊なインバータである。インバータが特殊なのは負荷が放電管という負性抵抗特性を有する素子を駆動するため、負性抵抗に対処するための独自の工夫が必要だからである。 LC共振型は主に電流共振型回路を基本にしたものが多く、それに様々な工夫を加えている。主に蛍光灯などの熱陰極管点灯用途に適する。一方、共振トランスを用いたインバータ回路は冷陰極管の点灯用途(冷陰極管インバーター)に用いられ、その用途はノートパソコン、液晶モニタ、液晶テレビのバックライト照明など幅広い。

DC-DCコンバータのインバータ回路

初期の頃はロイヤー回路が使われていた。トランスを飽和させるブロッキング発振型で、決して性能は良いものではなかった。周波数は低く、数十Hz〜数kHzである。

現在はコレクタ共振型回路というものが多く使われ小型化されている。周波数は数十kHzである。

モーター制御系のインバータ回路

駆動周波数が低く、大電流大電力である。駆動対象は三相誘導電動機もしくは同期電動機がほとんどであり、スイッチング素子を各相2組ずつ用いた三相出力インバータが用いられる。直入れ始動と比べてインバータ方式では電動機の回転速度調整や出力トルクの調整が容易になることによって効率を大幅に改善することができる。省エネの観点からも、電動機では直入れ制御からの置き換えが推奨される。

回転磁界式の交流電動機では、電機子誘起起電力と周波数：回転数がほぼ比例するので、インバータにより誘起起電力＋インピーダンス降下の電圧を加えて定起動電流、定スベリ（定遅れ角）に制御する方式が開発されて、鉄道界ではそれをVVVFインバータ制御、VVVF制御（可変電圧可変周波数制御）と呼んで、1990年代以降の現在ではほとんどの新製車の動力方式となっている。

VVVFインバータのスイッチング素子として、低出力用はバイポーラトランジスタ、MOS-FET、大出力用はゲートターンオフサイリスタ(自己消弧型サイリスタ)や、より高速の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) が主として使用されている。さらに、IGBTよりオン時の抵抗が小さく消費電力が少なくなるSiCパワー半導体 (炭化ケイ素MOSFET)^[1]への置き換えが、2015年1月の小田急線の営業運転^[2]から、山手線のE235系車両、東海道新幹線N700Sの2020年の運行開始^[3]、へと進み出している。

　速度0を含む任意電圧任意周波数の正弦波を生成する方式は基本的にPWM（パルス幅変調）方式に拠っているが、大容量素子の最大動作電圧が不足することから中間電圧を設定した「3レベルインバータ」も使われ、それに対しオン・オフ2値のPWMインバータを「2レベルインバータ」と呼ぶ。工場などでさらに大きな電動機を制御する場合「5レベルインバータ」などのさらにレベル数を増やしたものが使われることもある。

脚注