界磁添加励磁制御
界磁添加励磁制御（かいじてんかれいじせいぎょ）とは、直巻整流子電動機を使用しながら、界磁制御用電源を別に設けて界磁電流制御による回生ブレーキを行う鉄道車両の速度制御方式である。
概要
背景
- 位相制御 - 交流の電圧を制御する方法の一つ。サイリスタなどスイッチング作用のある半導体素子により電流を流す時間を変えて交流波形の一部を取り出し、平均電圧を制御する（左図）。
- チョッパ制御 - 位相制御の考え方を直流に適用したもので、電流を流す時間を変えて電圧を制御する（右）。パワーエレクトロニクスが発展途上の時代は、位相制御に比べ回路が複雑で高価であった。
日本国有鉄道（国鉄）は1970年代のオイルショックに端を発して、省エネルギー電車の開発を進めていた。旧来の抵抗制御による電車は、加速時にモーターの電圧を制御するにあたって、抵抗器で電力の一部が熱損失となり、ブレーキをかける際も運動エネルギーを熱として捨てるものであった。国鉄はこれを改善すべく、1979年に電機子チョッパ制御による201系電車を登場させ、連続電圧制御による熱損失の解消と、ブレーキ時の運動エネルギーを電力に変換して架線に返す回生ブレーキを実用化した。しかしながら、この当時はパワーエレクトロニクスが発展途上にあり、省エネルギー効果こそ有していたものの、制御回路が高価で旧来の抵抗制御方式に取って代わるまでには至らなかった。
一方、この頃の民鉄では、高価な電機子チョッパ制御に代わり、界磁位相制御や界磁チョッパ制御が開発されていた。基本構造は旧来の抵抗制御を用い、安価な界磁調整器を用いて回生ブレーキを可能としたものである。すなわち高価なモーターの電圧制御は旧来のままとし、比較的安価な界磁調整器によって得られる回生ブレーキのみに省エネルギー効果を絞った方式であった。加速時の熱損失こそ生じるものの、コストパフォーマンスに優れ、民鉄では広く普及した。その一方で、この方式は複巻電動機を必要とした。複巻電動機は旧来の直巻電動機に比べ構造が複雑で、負荷や電圧の変動に弱く、保守も手間がかかることが課題であった。
特徴
これらを背景として、1980年代に国鉄が開発したのが界磁添加励磁制御である。特徴を以下に示す。
- 電圧制御は旧来の抵抗制御、直並列組合せ制御を基本とした
- 界磁の制御に新たな技術を導入して、低コストで電力回生ブレーキを可能とした
- 構造が単純で堅牢な直巻電動機を用いた
界磁チョッパ制御と同様のコストパフォーマンスを狙いつつ、かつ構造が単純で堅牢な直巻電動機で制御を可能とした点が本方式の利点である。当時の次世代近郊形車両（国鉄211系電車）向けとして開発され、国鉄205系電車に初搭載された。以来、国鉄末期からJR初期にかけて新製電車に用いられたほか、民鉄でも一部採用された。
| 制御方式 | 電機子チョッパ制御 | 界磁チョッパ制御 | 界磁位相制御 | 界磁添加励磁制御 |
|---|---|---|---|---|
| 電動機 | 直巻電動機 | 複巻電動機 | 直巻電動機 | |
| 電圧制御 | チョッパ制御 | 抵抗制御・直並列組合せ制御 | ||
| 界磁制御 回生ブレーキ |
弱め界磁制御 電機子チョッパ |
分巻界磁の チョッパ制御 |
分巻界磁の 位相制御 |
界磁の位相制御 |
方式の概要
- 抵抗制御および直並列制御で起動する。
- その後、誘導分流器を接続し、外部三相交流（電動発電機や静止形電源装置）電源の位相制御による添加励磁制御により、電機子の逆起電力の大きさを変え速度制御を行う。
電機子コイルと界磁コイルの接続点からタップを取り出し、電機子側はバイパスダイオードを介して主抵抗器へ、界磁側は逆極性を発生する電源装置（誘導分流器）で、界磁コイルの電流を逆向きで抑え込む形で制御する。なお誘導分流器とは、コイルで電流を断続させることで高電圧の逆向き電流を発生させている（誘導コイルと制御器に表記されている場合がある）。
界磁位相制御とは、誘導コイルを使わず、直接逆極性の直流電圧を三相交流の位相制御整流で発生させ、タップから印加するものである。
- 加速時は、弱界磁制御を行う。
- 減速時は、外部電源により界磁巻き線電流を制御し界磁を強め、実質分巻き特性として電機子の逆起電力を大きくし、回生制動を行う。
三相交流の補助電源が必要であるが、位相制御用の半導体素子は小容量でよく、直巻電動機が使えるため過渡特性が良い。
なお界磁制御の中での比較等については、電気車の速度制御#界磁制御への適用を参照されたい。
利点と欠点
- 利点
- 欠点
- 界磁チョッパ制御と同様、抵抗制御の発展型であり、起動から抵抗制御の最終段まではカム軸制御や直並列制御を行うため、進段や回路切り替えによる前後衝動が発生する。
- 回生制動についても、界磁チョッパ制御と同様、低速域側での効用範囲が狭い（20km/h程度で失効する）。
- 従来と変わらず直流電動機を使用するため、保守上の弱点となるブラシが依然として残る。
採用例
- 日本国有鉄道
- 東日本旅客鉄道（JR東日本）
- 東海旅客鉄道（JR東海）
- JR東海の界磁添加励磁制御は、補助電源を直流としているため、添加励磁制御には位相制御回路ではなく、DC-DCコンバータが用いられる。DC-DCコンバータは、直流の補助電源をインバータにより単相交流に変換し、さらに降圧・整流して直流の添加電流を得る。インバータにはパワートランジスタを用いている[1]。
- 西日本旅客鉄道（JR西日本）
- 205系電車（1000番台）
- 211系電車（クモロ211形・モロ210形、廃車）
- 213系電車
- 221系電車（1989年）
- 東武鉄道
- 200系電車（1991年。東洋電機製造製）
- 帝都高速度交通営団→東京地下鉄
- 5000系電車（1989年改造（一部）、千代田線北綾瀬支線用を除き全車廃車）
- 東葉高速鉄道
- 1000形電車（1995年、営団5000系電車改造、全車廃車）
- 長野電鉄
- 2100系電車（JR東日本253系の譲受車）
- 富士急行
- 6000系電車（JR東日本205系の譲受車）
- 名古屋鉄道
- 京阪電気鉄道
- 阪神電気鉄道
- 2000系電車（1990年改造、全車廃車）
- 山陽電気鉄道
- 5000系電車（1986年）
参考文献
- ↑ 星野栄雄、大堀豊、井上一夫『東海旅客鉄道（株）向け213系直流電車システム』 富士時報 第62巻第8号（1989年）、525-529頁
