界磁チョッパ制御

界磁チョッパ制御について

概要

界磁チョッパ制御とは、複巻電動機の分巻界磁電流をチョッパ方式で調整し、回生ブレーキを可能にする速度制御の手法です。この制御方式は、以前から存在する電機子チョッパ制御の代替として開発されました。従来の電機子チョッパ制御は高コストで、起動時の抵抗損失の省エネ効果も限られていましたが、界磁チョッパ制御は、安価に回生ブレーキを実現することができます。

歴史的背景

1969年、東洋電機製造が小型チョッパ方式の界磁制御装置を開発し、阪急2800系電車にて実用試験を開始しました。同年には日立製作所製の装置も東急8000系に採用され、以降多くの私鉄に導入されました。国鉄でも試験が行われましたが、複雑な構造や保守上の懸念から本格採用には至りませんでした。その後、1970年代後半には直巻電動機を用いた他の制御方式が採用されました。

制御原理

この制御方式では、起動時や力行時は抵抗制御および直並列制御を行い、全界磁定格速度に達した後に分巻界磁電流をチョッパ制御し、弱め界磁制御を適用して逆起電力による速度制御を実施します。減速時には分巻界磁を強め、逆起電力を発生させて回生制動を行う仕組みです。また、使用される界磁チョッパ装置は、初期は逆阻止サイリスタが用いられましたが、1980年代後半からはGTOサイリスタが導入され、機器の小型化が進められました。

利点と欠点

利点

1. コストの優位: 電機子チョッパ制御の大容量に対し、界磁チョッパ制御は小容量の電流だけを調整するため、半導体のコストが低く抑えられます。
2. エネルギー効率: 回生ブレーキを活用することで消費電力量を抑えることができ、高効率のエネルギー回収が可能です。
3. 定速制御の可能性: 電流ゼロアンペア制御により、力行・制動に対する応答が良く、定速制御を実現することもできます。
4. 運行のスムーズさ: 力行や制動時のショックを低減することができます。

欠点

1. 起動時の連続制御の制限: 力行時は抵抗制御であるため、粘着性能や加速時の衝動には限界があります。
2. ブラシ摩耗の早さ: 直流複巻電動機は急激な電圧変動により大きな電流が流れる特性があり、ブラシの摩耗が進みやすいです。
3. 回生ブレーキの効きづらさ: 回生ブレーキの効く範囲が狭く設定されており、高速域での回生

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