主変換装置

主変換装置について

主変換装置（しゅへんかんそうち）は、主に交流形電車やディーゼル・エレクトリック方式の機関車に利用される、主回路の制御装置です。この機器は、交流用蓄電池駆動電車や交直流電車、交直流電気機関車の走行に不可欠な役割を果たしています。

構造と機能

この装置は主に二つの機能部分、PWMコンバータ部とPWMインバータ部から構成されています。PWMコンバータ部は、主変圧器から供給される電力を受け取り、ここで単相交流を直流に変換します（順変換）。次に、PWMインバータ部が直流を三相交流に変換する（逆変換）ことで、車両のモーターを駆動します。ブレーキの際には回生ブレーキが作動し、この過程でもPWMインバータ部を介して単相交流が出力されます。

1990年、JR東海300系新幹線において、このPWMコンバータとPWMインバータの一体型設計が初めて実用化されました。それ以降、多くの新幹線車両においてGTOサイリスタやIGBTが使用され、1990年代後半には、さらなる性能向上をもたらすSiCが採用されるに至っています。

小型化と冷却技術

主変換装置の小型化が求められる中、N700系新幹線では冷却ファンを省いたブロアレスタイプが実用化されました。また、高速試験車両のE954系では、水冷式が導入されることで、環境への影響を軽微にしています。

通常の直流電車では、PWMコンバータ部が省略され、VVVFインバータ装置として特定されます。これにより、装置の構造が異なるため、その名称も異なります。

在来線における採用例

在来線の交流電車におけるVVVFインバータ制御は、コスト削減を目的としてサイリスタを使用した位相制御技術が用いられていました。これにより、特定の車両では回生ブレーキの効果はありませんでしたが、JR北海道の785系にはサイリスタとダイオードの混合ブリッジコンバータが搭載されています。さらに、681系や813系などにも類似の技術が採用され、681系の一部モデルでは回生ブレーキも可能となっています。

1995年に登場したJR東日本のE501系は、PWMコンバータの先駆けとしてGTOサイリスタを搭載。国内メーカー製のIGBT素子を使用したモデルも増えてきました。

電気機関車と新交通システム

電気機関車においては、国鉄の分割民営化後に製造されたものが多く、貴重な技術が注入されています。例えば、EH500形以降はPWMコンバータとインバータが一体となった主変換装置が採用されているため、信頼性が増しています。

新交通システムでは、三相交流600Vを元にこれらの装置が使用され、CI制御が可能となっています。この方式により高効率かつ省エネ性能に優れた電動機の制御が実現されています。

ディーゼル・エレクトリック方式

ディーゼル・エレクトリック車両では、主発電機から生成された三相交流が主変換装置に供給され、欲しい駆動形態に直流および三相交流に変換されます。これにより、ディーゼル機関を直接利用した効率的な走行が可能です。さまざまな機関車や気動車でこの技術が採用されています。

モダンな鉄道システムにおいて、主変換装置は基礎技術として重要な役割を担っています。省エネルギー、高効率な運行のために、これらの技術革新は欠かせません。

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