電機子チョッパ制御

電機子チョッパ制御について

電機子チョッパ制御（でんきしちょっぱせいぎょ）は、主に鉄道車両で用いられる直流電動機の制御技術の一つです。この制御方式は、電圧を高速度でスイッチングし、切断する「チョッパ回路」を用いて電動機を制御します。

特徴

この制御方式にはいくつかの特筆すべき特徴があります。

1. 回生ブレーキの実現

電機子チョッパ制御を使用することで、高速から低速まで安定した回生ブレーキが可能となります。これにより、エネルギーの消費を削減でき、発電用のブレーキ抵抗器を省略できるため、車両の軽量化が実現します。ただし、高速時には回生電圧過大となることを防ぐ技術的な工夫が求められます。

2. 粘着性能の向上

無段階制御が可能であるため、従来の抵抗制御系に比べて粘着性能が向上しました。このため、同一の加速性能を維持しながら動力車の比率を減少させることができます。

3. 保守作業の容易化

チョッパ制御装置は、半導体素子を用いるため、従来型の機械的な摺動部や接点が一切ありません。これにより、保守作業が大幅に簡素化されています。また、無整流子電動機との組み合わせによって、主電動機のメンテナンスフリーも実現しました。

4. エネルギー損失の低減

抵抗制御に比較して、起動時に無駄な電力損失を抑えることができ、特に優等列車の運行においてその利点が際立ちます。

5. コスト

一方で、本方式の大きなデメリットは高コストです。1970年代から1980年代のチョッパ制御技術が確立された当時、半導体機器は未発達であり、その価格も高かったため、これが普及の妨げとなりました。

6. 走行音

加速や減速の際に発生する特徴的な音は、電源のオンオフによる磁歪によるものです。この音は、車両の電動機が操作される際に特定の周波数で鳴ります。

歴史

電機子チョッパ制御の歴史は1963年にさかのぼります。ドイツのシーメンス社が蓄電池機関車に搭載したのが世界初の事例です。その後、1965年には架線式の機関車も完成し、日本でも1960年代から試験が進められました。

特に、帝都高速度交通営団（営団地下鉄）は1960年代からこの技術を積極的に実験し、1965年には日本初の実車試験を行いました。この試験は、荻窪線分岐線において三菱電機製のチョッパ制御装置を搭載した車両で実施されました。

その後も様々な鉄道事業者による試験が行われ、1970年には阪神電鉄が初めて営業運転に導入し、続いて営団地下鉄が回生ブレーキを搭載した電車を実用化しました。

実用化と発展

電機子チョッパ制御は、1970年代にあたるオイルショックにより、特に省エネルギー性能が求められるようになりました。これに応じて、日本全国でこの制御方式が採用されるようになり、国鉄も省エネ電車を開発していきました。

しかし、1990年代に入ると、VVVFインバータ制御が広く普及し、電機子チョッパ制御に替わる存在として存在感を増すことになります。

結論

電機子チョッパ制御は、鉄道車両の制御において重要な役割を果たしており、特に回生ブレーキの実現や保守の簡略化が大きな利点です。今後はVVVFインバータ制御の発展により、その存在感が薄れる可能性がありますが、その技術的功績は鉄道業界において大きな意義を持っています。

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