交直流電車

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テンプレート:出典の明記 テンプレート:脚注の不足 交直流電車（こうちょくりゅうでんしゃ）とは、電車のうち、直流電化区間と交流電化区間の双方を走行できる構造を持つものを指す用語である。「交流直流両用電車」「交直両用電車」とも称する。

なお、電気機関車にも同じように「交直流電気機関車」が存在する。電気機関車を参照。

概要

鉄道の電化は、地域ごとの事情や電化した事業者によって直流電化されている区間と交流電化されている区間があり、それぞれの方式に対応した車両が必要となる。交直流電車では車両を直流と交流の双方に対応させ、運転士がスイッチを切り替えるだけで直流電化区間と交流電化区間を直通することができる。

電化方式には交流・直流のほか、周波数や電圧も区間により異なることがあり、交直流電車であっても周波数や電圧が対応していない場合は走行できない。直流専用・もしくは交流専用で複数の電圧に対応する電車を複電圧車という。交流専用で複数の周波数に対応する電車もある。

交直流電車の構造

ファイル:E531kei NO1.JPG
交直両用電車のパンタグラフとその周り。交流区間では、掛かる電圧が20,000Vと高いため、車体との間の絶縁離隔を大きくしなければならず、パンタグラフとそこからの配線を支持する碍子が大きくなる。右側からA計器用変圧器、B交流用避雷器、C交流遮断器（真空遮断器）、D交直切換器の回路切替接片回転部、E交流側回路を保護するためのヒューズ、F交直切換器の直流側接点、G交直切換器の交流側接点、H直流用避雷器。（E531系）
ファイル:JNR 115@Panta.JPG
直流専用電車のパンタグラフのその周り。直流区間では、掛かる電圧が1,500Vと低いため、車体との間の絶縁離隔を小さくでき、パンタグラフとそこからの配線を支える碍子が小さくできる。この写真では、パンタグラフの他に、避雷器、ヒューズボックス、空気配管を屋根上に搭載しているが、交直両用電車と比べすっきりしている。

回路の設計は直流型電車に準じているが、抵抗制御の場合、交直切換器・交流遮断器（屋根上に設置）交直転換器・主変圧器・整流装置（床下に設置）を搭載している。交流電化区間直通時には交直切換器（主変圧器の1次側）と交直転換器（主整流装置の出力側）が直流側から交流側に切替わり、交流電源を変圧器により降圧し、主整流装置により直流電源に変換して（ブリッジ回路で全波整流）使用する。直流電化区間では主変圧器・整流装置を通さず架線からの電源をそのまま用いる。

交流専用車両に見られるタップ制御やサイリスタ位相制御は通常用いられない。それらは制御の過程が交流と不可分で、交流電化区間でしか使用できないからである。従って制御方式は直流専用車両と同様な方式となる。ほとんどは直並列抵抗制御、界磁添加励磁制御、VVVFインバータ制御のいずれかである。またVVVFインバータ制御の場合、整流装置の代わりにサイリスタ位相制御装置またはPWMコンバータ装置をVVVFインバータ制御装置と1つにまとめた主変換装置に搭載し、交直切換器だけで切替を行い、交流区間では変圧器を経由しての電源がサイリスタ位相制御装置またはPWMコンバータ装置を通ってVVVFインバータ制御装置に入り、直流区間では架線からの電源がそのままVVVFインバータ制御装置に入る。 交直両用車の性能はインバーター制御車の場合は交流時と直流時でほぼ同等であるが、抵抗制御などの直流電動機使用車の場合 連続定格出力は交流時、直流時でほぼ同等であっても短時間の最高出力は直流時には定格出力の4,5割増しであるが、交流時には定格出力程度であることが多い。これはコスト等の理由から変圧整流機器は定格出力前後程度の物を搭載している事による。一方フランスTGVでは直流時の出力が極端に少ない物がある。これはTGV新線は交流であり、在来線乗り入れ時のための直流では大出力が不要なこと、電流が大きい直流送電の場合は大電力送電が出来ないことによる。

直流型電車を基本にしているため、後述の通り交直流電車の変圧器・整流器を撤去して直流型電車に改造した例もあれば、直流専用電車に変圧器・整流器を付加して交直流電車に改造した例、運用上直流区間への乗り入れが不要になった交直流電車の交直切り換えスイッチを撤去する小改造で事実上の交流区間専用車にした例もある。逆に元々交流専用電車として製造された車両を交直流電車や直流型電車に改造した例は日本では無い。

走行中に交直流の切り替えが正常にできるよう、屋根上に交直切換器・交流遮断器（真空遮断器・空気遮断器・断路器など）を取り付けている。また誤操作により冒進した場合に機器を焼損しないよう交流側にヒューズを、直流側には変流器[1]を取り付けている。また、計器用変圧器[2]、抵抗器箱[3]、直流保護接地装置[4]、直流・交流避雷器[5]などが設置されている関係で、パンタグラフ周りはものものしくなっている。また実際のダイヤで交直流転換が予定されている場合、始発駅停車中に運転士が遮断機が正常に作動するか確認することがある。その際、遮断器から音がしたり、車内の照明が消え、空調設備などが一時的に止まることがある。

日本の交直両用車両では、極端に異なる電源でも同一のパンタグラフを使用していることが特筆される。異なる電源ではそれぞれに設計された集電装置を搭載した方が集電装置や回路の設計上は簡単であるものの、整備、重量の点で難が残る。また日本の交直両用車両が標準的に行う車上切替にも対応しにくい。しかし、日本国外では複数の方式の集電装置を個別に搭載する例は多く見られる。

ファイル:Koucyokuryu circuit.png
交直流電車の主回路（抵抗制御）のモデル図、A交流遮断機、B避雷器、C交直切替器、D主変圧器、E整流装置(整流器）、F交直転換器、G主開閉器、H断流器、I主抵抗器、J主電動機。
　

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日本における実例

2012年現在の日本では、東日本旅客鉄道（JR東日本）・西日本旅客鉄道（JR西日本）・九州旅客鉄道（JR九州）・阿武隈急行[6]・北越急行・首都圏新都市鉄道の各社が保有している。

交直流電車は直流電動機を用いた時代は前述の通り構造が複雑となるため、直流型電車と比べてのみならず交流専用の電車と比べても、車両の製造コストが高額となった。1990年代中期以降は交流電車も、交直流電車も同じVVVFインバータ制御を採用するようになったため交流電車、交直流電車のコスト差は交直切り替え機器程度である。

日本国有鉄道（国鉄）時代は、交流区間でのみの運用であっても北海道を除いて交直流両用の車両を製造することが多かった。交流区間のみを走る運用が少なく、わざわざ開発費をかけて少ない台数の交流専用車を作るメリットは少ないとされた。製造されるようになった後も技術的な理由で一時製造が見合わせられたこと、全国的な車両の配置転換があったこと等が大きいが、結果的に機器コストのかかる車両を大量に造らざるを得なくなり、交流電化のメリットも生かしにくかった。

国鉄分割民営化後は、JRグループ各社で運用が局地化し、全国的な配置転換もなくなったため、北海道旅客鉄道（JR北海道）やJR九州は専ら交流電車を導入し、交直流電車は常磐線や日本海縦貫線など、交流と直流区間をまたがって運用される区間で導入するのが一般的になり、運用区間も縮小され、数を減らしつつある。なお、コスト面などから羽越本線のように交流区間と直流区間をまたがる列車に気動車を使用する例もある。また、運行区間が直流区間のみとなったために交流対応の機器を撤去して直流専用に改造されたものも（その逆のパターンのものも同様に）ある。

路線自体の電気方式を直流から交流、もしくは交流から直流に切り替え、交直流電車を不要とした（もしくは必要数を減らした）区間もある。

交直流電車の形式

国鉄・JRの交直流電車は、形式番号（3ケタの場合）の百位が4・5・6のいずれかで表される。規定上は4 - 8のいずれかだが、慣例的に7・8は交流専用電車用とされている。なお、JR西日本では2005年（平成17年）度以降に新製された電車の車両形式区分の百位の数字「4 - 7」を交直流電車用とし、「1 - 3・8」を直流専用電車用としている[7][8]。

括弧内は対応している交流電源周波数を示す。

日本国有鉄道・JR

私鉄

*:既に全車廃車され、形式消滅している。
**:473系は413系に改造され、形式消滅。

電源方式を改造した例

  • 直流電車を交直流電車へ改造した例
    JR西日本所属分415系電車 (50/60Hz)
    113系電車からの改造。七尾線直流電化の際必要となる交直流電車調達のため後述する直流区間のみで使用されていた485系から取り外して捻出した交流用機器を113系に取り付けたもの。
  • 交直流電車を直流電車へ改造した例
    JR西日本所属分183系電車（700/800番台）
    485系電車を改造。取り外した交流機器は上記の415系（800番台）に転用。このために485系とは直流区間に限り併結運転が可能。JR東日本所属の183系電車とは理論上は併結可能だが、その場合にはジャンパ栓の変換カプラーが必要となる。
  • 交直流電車を交流電車へ改造した例
    国鉄715系電車
    419系電車と同じ手法で581系電車を近郊形に改造したものが0番台 (60Hz)、583系を改造したものが1000番台 (50/60Hz)。運転区間が交流区間に限られるため、交直切り替えをなくしたもので、機構的には交直両用車のままである。

この他、改造により交直切替回路を使用不能にし、事実上交流（直流）専用となった車両（前者ではJR九州所属分485系電車、後者ではJR西日本所属分183系電車（200番台）など）もある。交流電車を交直流電車へ改造した例はない。

日本国外の例

ファイル:Europe rail electrification de.svg
欧州各国の電化方式分布（※ただし図ではチェコが交流25,000Vになっているが、直流3,000Vが主流である） テンプレート:Legend テンプレート:Legend テンプレート:Legend テンプレート:Legend テンプレート:Legend テンプレート:Legend

日本国外では、国によって、あるいは同じ国でも地域や路線によって電化方式が異なることがある。例えば、ヨーロッパ諸国ではかねてより多数の国際列車が運行されていたが、機関車牽引の客車列車が中心だったため、交直両用機関車が各国で製造された。国境付近での異電化区間直通列車には、依然客車や気動車が充当されることが多いが、1990年代以降は高速鉄道網の発達もあり、交直両用電車が製造されることがある。また、ヨーロッパ各都市で導入されているトラムトレインに充当されている車両も、路面区間と一般の鉄道路線を直通するために交直両用電車が導入される場合がある。

国際列車を含む長距離列車用

都市周辺の異電化区間直通用

ファイル:SNCF Z 20758.JPG
Z20500形電車（2005年12月、SNCFパリ・リヨン駅）
  • フランス国鉄 Z8100形電車
  • フランス国鉄 Z8400形電車
  • フランス国鉄 Z1500形電車
  • フランス国鉄 Z8800形電車
  • フランス国鉄 Z20500形電車
  • フランス国鉄 Z20900形電車
  • フランス国鉄 Z92050形電車
  • フランス国鉄 Z22500形電車
    • パリは南北で電化方式が異なるため、パリ南北を直通するRERに運用される車両は2電源対応となっている。
ファイル:ZGC Franche Comté.JPG
Z27500形電車（2007年3月、ブザンソン駅）
  • フランス国鉄 Z9500形電車
  • フランス国鉄 Z9600形電車
  • フランス国鉄 Z21500形電車
  • フランス国鉄 Z23500形電車
  • フランス国鉄 Z24500形電車
  • フランス国鉄 Z26500形電車
  • フランス国鉄 Z27500形電車
  • フランス国鉄 B82500形電車
    • 地方都市周辺の異電化区間直通用で、2電源対応である。Z24500形と同型のルクセンブルク国鉄 (CFL) 2200形電車も2電源対応。B82500形は、Z27500形とほぼ同様の車体・機能を持ちながら発電用ディーゼルエンジンを搭載し、非電化区間も走行可能である。
ファイル:319013 at Clapham Junction.JPG
class319電車（2003年8月、クラパムジャンクション駅）
  • イギリス クラス313電車
  • イギリス クラス319電車
  • イギリス クラス365電車
    • テムズリンク系統の車両で、電化方式の異なるロンドン南北を直通するため、第三軌条直流750Vと架空線交流25,000kV 50Hzに対応。
  • イギリス クラス360電車
  • イギリス クラス375.6電車
  • イギリス クラス377.2電車
  • イギリス クラス395電車
    • 電化方式の異なる路線を直通するため、第三軌条直流750Vと架空線交流25,000V 50Hzに対応。
  • ベルギー国鉄 AM96形電車
    • 第441 - 490編成の50本は交流電化のルクセンブルクやフランスへ直通するため、2電源対応である。
  • レンフェS140電車
    • 高速新線と在来線を走行する軌間可変のレヒオナル用電車。

トラムトレイン

ファイル:Avg-898-00.jpg
GT 8-100D/2S-M形電車（2005年6月）
  • デュワーグ (DUEWAG) GT 8-100C/2S形電車
  • デュワーグGT 8-100D/2S-M形電車
    • ドイツ・カールスルーエのLRTで、8軸3車体連節車。ドイツ鉄道へ乗り入れるため、直流750Vと交流15,000Vテンプレート:要出典範囲の2電源に対応する。VBK (Verkehrsbetriebe Karlsruhe GmbH) では、801形・821形・837形を保有する。ドイツ鉄道 (DB Regio) も同型の450形を保有する。
  • ザールバーン (Saarbahn) 1000形電車
    • ザールブリュッケンのLRTで、2電源対応の8軸3車体連節車。乗り入れ先のドイツ鉄道も同型の451形電車を保有。
  • RBK (Regionalbahn Kassel GmbH) 701形電車
    • カッセルのLRTで、直流600Vと交流15,000Vテンプレート:要出典範囲の2電源に対応した8軸3車体連節車。乗り入れ先のドイツ鉄道も、同型の452形電車を保有。
  • フランス国鉄 U25500形電車
    • パリ郊外のT4線用のLRT。既開業区間は、SNCF線からの引継ぎ路線であり全線交流電化であるが、将来の路面区間走行を考慮して2電源対応の交直両用となっている。

テンプレート:節stub

ギャラリー

  • Tsukuba Express 2000.jpg

    前から3両目に交直両用パンタグラフを備えたTX-2000系

  • Farringdon 3rd rail AC overhead.JPG

    第三軌条（直流）と架線（交流）の両方があるロンドン・ファリンドン駅。ここで切り替えを行う。

脚注

テンプレート:脚注ヘルプ テンプレート:Reflist

参考文献

  • 伊原一夫 『鉄道車両メカニズム図鑑』 グランプリ出版、1987年 ISBN 4906189644
  • 持永芳分 『電気鉄道技術入門』 オーム社 2008年 ISBN 9784274501920

関連項目

執筆の途中です 「交直流電車」は、鉄道に関連した書きかけの項目です。この記事を加筆・訂正などして下さる協力者を求めています（P:鉄道/PJ鉄道）。
  1. ↑ 直流避雷器と直列に接続して、冒進保護リレーを作動させることにより、遮断器を開放して直流回路を保護する。
  2. ↑ 交流が加圧されているのを検知する、交流電圧リレーを作動させる変圧器。
  3. ↑ 直流が加圧されているのを検知する直流電圧リレーにつながる抵抗器が入っている箱、計器用変圧器と直列に接続されている。
  4. ↑ 遮断器が故障した場合、アースを行って架線に大電流を流し、変電所に電気を切らせる装置。
  5. ↑ 落雷などにより発生する外部からの異常電圧を、車体を経由してレールに逃がす機器、交直流電車は直流・交流両方の避雷器を設置しているが、直流電車には直流避雷器、交流電車には交流避雷器が設置されている。
  6. ↑ ただし、阿武隈急行は交流電化区間と直流電化区間の直通運転を行っていない。
  7. ↑ 2012年時点では「7・8」の数字は使われていない。
  8. ↑ データで見るJR西日本 - 西日本旅客鉄道 p.115
  9. ↑ 1989年度以降製造の車両は50Hz専用。
  10. ↑ ただしJR西日本の800番台新規設計ではない
  11. ↑ 東日本旅客鉄道（JR東日本）ではE231系電車以降、普通列車用の電車において通勤形と近郊形に代わる区分として使われている。
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