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電気車の速度制御方式6- 界磁チョッパ制御
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都合上弱め界磁制御と分離しました。

界磁チョッパ制御とは、主に弱め界磁制御をチョッパ装置によって行うものです。
この方式は東急が初代6000系で試験採用し、初代7000系で量産化した直流複巻電動機と界磁調整器による抵抗制御を発展させたもので、界磁調整器をチョッパ装置に置き換えたものになります。同社の8000系で世界初の界磁チョッパ制御電車が誕生します。世界初の電機子チョッパ車、営団6000系の量産が1971年から(試作車は1965年の2000形、6000系試作車は1968年登場)で、東急8000系の量産が1969年からですから、チョッパ制御の量産車として見ても世界初といえます。

チョッパ制御については電機子チョッパの項目を見ていただくとして、早速話を進めます。
複巻電動機は界磁コイルがたくさんあるもので、そのうちの一部の界磁磁束をチョッパ制御するものです。直巻電動機と比べると欠点が多いのですが、独立した界磁があるため界磁を制御しやすく、失効速度は高いものの抵抗制御でも特に工夫することなく回生制動できるようになりました。
また界磁チョッパ制御は、抵抗制御よりも効率良く回生が制動でき、大電流が流れてくる主回路電流を直接制御する電機子チョッパ制御と比べると分巻界磁巻線に流れる電流は小さいため、チョッパ装置も安価なものが使えます。そのためコストに敏感な私鉄を中心に導入が進みます。
界磁チョッパ回路図
複巻電動機は界磁が電機子に対して直列と並列で分かれています。2列の並列接続ということは界磁電流は半分になってしまうということです。分巻界磁の界磁磁束を強めないと分巻界磁側が弱め界磁と同じ状態になってしまい、主回路に流れる電流はさらに低下してしまいます。そのため低速においてはチョッパ装置をONのままにして分巻界磁の電流を上げ、界磁磁束を強めます(逆に1ノッチ目で意図的にチョッパ制御を行えば弱め界磁起動になります)。これで電機子側の界磁(直巻界磁)磁束も強くなり、電気車の速度制御に見合う性能を出します。
そしてそのまま直並列抵抗制御で加速していきます。

高速域では界磁磁束を弱めるため、電機子側の電流を一定にして、分巻界磁側の電流をチョッパ制御で下げます。電機子側にも界磁はありますが、分巻側を制御するだけで弱め界磁制御と同じ効果が得られます。

減速はチョッパ装置で分巻界磁が強くなるように制御し、電気ブレーキを行います。すると電動機の起電力は
E=K×φ×n
(E:起電力、K:電動機固有定数、φ:分巻界磁磁束、n:電機子回転数)
という式から電圧を高くすることができます。
すなわち高速時はスイッチング周波数を落し、速度が落ちるにつれてスイッチング周波数を上げていくことになります。加速時、逆起電力を抑えるために界磁磁束を減らしているわけですから、減速時は逆起電力(発電機になるので単なる起電力=発電力)を上げるために界磁磁束を増加させるというわけです。
電機子チョッパと異なり、電圧を大幅に上げることなく回生電力を確保しているため、回生失効速度が比較的高いのが欠点です。それでも界磁調整器による回生制動(従来の方式とします)とは違って界磁磁束を調節しやすいので、従来の方式よりは回生範囲が拡大しやすくなっています。

上図下段の右隅にぽつんと切り離されているチョッパ装置は、想像のものです。
回生のところで、チョッパ回生専用のチョッパ装置を使っているという想像で書いているんですが、よく考えてみると、ただのフリーホイルダイオードを使ったサイリスタにして、回生電力はチョッパされずにここを通り、力行用チョッパの電流を調整して回生電力を打ち消すような形で(逆起電力の要領で)調節しているのかもしれません。どっちが採用されているかはメーカーのみぞしる、ってところです(手元の解説書にはそこまで書いてない)。

先に説明したように、界磁チョッパ制御は抵抗制御から派生した方式なので、抵抗制御域で使用する抵抗器を更に増やして滑らかな発進を可能にするバーニア制御が可能です。逆に言うと、低速域ではどうしても段階的な速度制御になってしまうという欠点があります。

一方で分巻巻線は電源電圧の半分ほどしかかからないため、界磁チョッパ装置は電機子チョッパ装置ほどの耐電圧性能でなくても十分に動作します。また、界磁チョッパの場合電圧を減らしていく処理が基本になるため、スイッチング周波数が低くても構いません。また、電流が小さいためスイッチング制御を行ったときに生じる脈流も小さく、誘導性リアクタンス(電流の変化)の遅れも大きいので主平滑リアクトルが不要、分巻巻線の電流を遮断しても直巻巻線の電流が電動機に供給されるため閉回路や充放電リアクトルが不要などといったメリットもあります。
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