界磁添加励磁制御

界磁添加励磁制御の詳細

概要

界磁添加励磁制御（かいじてんかれいじせいぎょ）とは、主に直巻整流子電動機を用いて、専用の電源によって界磁電流を調整し、効果的な回生ブレーキを実現する鉄道車両の速度制御手法です。この技術は、従来の抵抗制御方式の問題点を解決し、より効率的なエネルギー利用を目指して開発されました。

背景

1970年代に発生したオイルショックを受け、当時の日本国有鉄道（国鉄）は省エネルギーを強く意識した電車の開発を推進しました。従来の抵抗制御システムでは、加速時の電動機の電圧を抵抗器で調節し、一部の電力が熱として失われていました。また、ブレーキ時に運動エネルギーを熱として無駄にすることが問題視されていました。これに対処するために、国鉄は1979年に電機子チョッパ制御を用いた新型電車を導入しましたが、パワーエレクトロニクスの技術が未成熟だったため、従来の方式に完全には取って代わることはできませんでした。

その一方で、私鉄各社ではよりコストを抑えた代替技術として、界磁位相制御や界磁チョッパ制御などが開発されました。これらの技術は、主に起動において従来の抵抗制御を用いながら回生ブレーキを実現するものでした。こうした動きがありながらも、国鉄はその大規模かつ標準化されたシステムの導入において、複雑な設計のモーター導入には慎重でした。しかし、やがて省エネルギー効果を重視した結果、直巻モーターと別電源による界磁制御を結びつけた新たな手法が必要とされました。

特徴

1980年代に、国鉄は東洋電機製造と共同開発したのがこの界磁添加励磁制御です。本方式では、以下のような特長があります。

• - 従来の抵抗制御に基づいた電圧制御
• - 構造が単純で堅牢な直巻モーターを使用
• - 低コストで電力を回生するブレーキを実現

この制御方法は、211系通勤形電車をはじめとする多くの新製車両に採用され、国鉄末期やJR発足初期の主力技術となりました。

実用化試験

1984年、国鉄吹田工場において、101系に新しい制御装置を導入し、様々な試験が行われました。その結果、速度制御や回生ブレーキの性能が確認され、この手法の実用化の準備が整いました。

方式の概要

この制御方式は、加速時には主回路の電流が抵抗器を通過することで電圧を調整し、さらに界磁接触器がオンになることで界磁電流を調整します。これにより、モーターの速度が制御されます。減速時には、逆向きの界磁電流が流れ、その結果として回生ブレーキが機能します。補助電源を利用することで、架線電圧に依存しない安定した制動力を実現することが可能です。

利点と欠点

利点

• - 回生ブレーキの活用が可能。
• - 小型化が進んでおり、初期コストが比較的低い。
• - 従来の部品を流用しやすく、改修が容易である。
• - 安定した制動力が得られやすい。

欠点

• - 抵抗制御の発展形であるため、前後の衝撃が発生する可能性がある。
• - 低速時には回生ブレーキの効果範囲が狭くなる。

採用例

国鉄・JR

特にJR東日本の205系や211系などがこの技術を採用しています。また、特急形車両もいくつか採用例があります。

民鉄

東武鉄道の200系など、民間鉄道でも広く活用されており、さまざまな形式が存在します。

結論

界磁添加励磁制御は、鉄道車両における革命的な速度制御技術として確立され、省エネルギーを追求する上で重要な役割を果たしています。これにより、より効率的で安定した運行が可能となり、鉄道業界全体の進展に寄与しています。

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