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[C76]

こんにちは~。
お返事がすごく遅くなって申し訳ありませんでした。

記事が少しでも理解の手助けになれば幸いです。
駆動方式も制御方式も、どちらも複雑でややこしいので、少しずつ図を入れていってより分かりやすくなるようにしていくつもりです。駆動方式の方は滞っていますが、こちらも図解できるように少しずつ進めていく予定です。

saraさまの記事も楽しみにしてます☆
  • 2009-02-01
  • 投稿者 : 春風☆一
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[C75]

こんばんは
本当は先週、記事を拝見していたのですが、きちんと理解してからコメントをさせていただきたいと思っていたら今日になってしまいました。
制御方式を本で読みながら、なんとなく・・・わかったものの、きちんとは理解できないままでした。今回の記事をもう一度読みながら、本の中で(・・?!??そう思っていた部分を照らし合わせてみて、理解できました。
抵抗器を電球に譬えての説明・・とてもわかりやすかったです。年末から少しずつですがいろいろと調べているので、来月ぐらいからまた車両のしくみを書いてゆきたいなって思っています。

トップページの夜空のお写真・・とてもきれいですね。
2009年も素敵な1年になりますように・・・。
今年もどうぞよろしくお願いいたします。m(_ _)m
  • 2009-01-11
  • 投稿者 : sara
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電気車の制御方式1- 直並列抵抗制御
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駆動方式と来たら今度は制御方式ですね。
というわけで電気車の制御方式について今回から数回にわたって解説します。
'10.03.16追記
目次ができました。

まず電気車というのは外部から電気を取り込んでモーターを回すことで走ります。
しかし、電子レンジのターンテーブルやプラレールなどを見ればわかる通り、ただそれだけでは急発進と急停止しかできません。
また電気車は自動車や内燃車と異なり変速機を持たないためギア比は固定で、トルクコンバータなども使わずに速度制御を可能としています。
このような電気車で速度を制御するのが主制御機器で、速度の制御方法のことを制御方式というわけです。
まずは一番簡単な直流電動機の制御方法です。

直並列制御

直流電動機の回転速度は電圧に比例しています。つまり加速するに従って電圧を上げればいいわけです。
一番単純なのは理科の実験でやったことがあるであろう「直列」と「並列」を利用したものです。
理科の実験では簡単な電動ミニカーで、電池を直列繋ぎにするか並列繋ぎにするかでどっちが速いかを競ったり、麦球の明るさとか寿命のことを学んだかと思います。そこから直列では速くて明るいけど短命、並列は遅くて暗いけど長寿命、ということを学びます。

電車の場合電源ではなくモーターを直列や並列として繋ぎます。この場合モーターは抵抗に値し、最終的な抵抗は接続されたすべてのモーターの消費電力の合計がすべてのモーターに均等に加わります。
モーターの抵抗を単純に1としてモーター数を4個(1台車に2個のモーターとした車両)、それを直列繋ぎとすると、それぞれのモーターにかかる電圧は1/4です。一般的な直流電車の架線電圧は1500Vなので、モーターにかかる電圧は375Vということになります。
同じ条件で2個×2列の並列繋ぎにすると、1列辺り1/2の電圧がかかります。1500÷2で750Vです。
そこで、起動時は直列繋ぎにし、直列繋ぎの最大速度に達したときに並列繋ぎに変えてさらに加速する方式を「直並列制御」といいます。
直並列制御の回路

渡りとは

直列から並列に繋ぎ替える際、3つもの機械的な接点(スイッチ)を機械的に操作するので同時切り替えが難しく、万全を期して図中段の「渡り」を挟み、確実に切り替えます。
渡りも2種類あって、抵抗制御の直列最終段で右側のスイッチを同時に入れておき、それから左側のスイッチを入れる1段渡りと、直列最終段の後で右側のスイッチ、左側のスイッチの順に切り替える2段渡りがあります。どちらの場合も最後に中央のスイッチを切れば完全な並列になります。

抵抗制御

ですが、これだけでは2段階にしか制御できず、乗り心地を損ないます。そもそも止まった状態の電動機に1500Vもの大電流が突然流れ込むと破損したりします。
そこで、モーターの繋ぎ変えの前後に電圧を下げるように電球を繋いでみます。電球を繋ぐと電気を消費して電圧が下がるからです(疑わしく思う人は、ミニ四駆などの電池で動くモーターに直接電池を繋いだときと、数十個豆電球を直列に繋いだときの速度差を確かめてみてください)。普通電球はそれほど消費しませんが、ここではわかりやすくするために1個で電圧を半分消費することにしましょう。
抵抗制御の概念図

起動時は電球が電圧を集電時の1/2消費し、4つのモーターにはそれぞれ1/8の電圧がかかります。次に、電球を介さずに集電時の電圧を直接かけてみましょう。このとき、右側のスイッチを入れておきます。電球が無くなったわけですから先ほどの直列繋ぎの場合と同じく1/4の電圧になります。電球を差し込んで並列繋ぎに変えると1/4の電圧になります。いきなり並列の全電圧をかけるのはよろしくないので、再び抵抗器を全部繋いであげるわけです。また、抵抗制御段が増えることでさらに速度を上げることができます(下図参照)。
最後に電球を抜くと、4つのモーターにかかる電圧は1/2です。
この制御方式は直列2段、渡り1段、並列2段の抵抗制御、ということになります。
豆電球式抵抗制御の電流と速度の関係

電車では電球を繋いでしまうと大電流・高電圧に耐えきれずに壊れてしまいます。電気を食いそうなクーラーも実は架線電圧(600~1500V)より低電圧(440V)で動くのでやはり壊れてしまいます。では何に繋げばいいか。
実は大電流・高電圧にも耐えられるものとして「抵抗器」というものが存在します。といっても秋葉原とかのパーツ屋さんで手に入る抵抗器ではなく、鉄道用の抵抗器が使われます。それだけ強力な電気が使われているということです。
そして、この抵抗器をいくつ回路に接続するかどうかで電圧を制御します。抵抗器は一定の電圧にしか下げられないので(固定抵抗器)、さらにきめ細かく、乗り心地を損なわないように制御するには抵抗器を増やし、スイッチによって抵抗器の接続数を変えていきます。これが「抵抗制御」です。

ちなみに可変抵抗器という、1つの抵抗器で電圧を制御できるものがありますが、実体としては抵抗値が固定の抵抗体に端子とスイッチを組み込んだもので、端子からスイッチまでの距離で抵抗値を変えるというものです。
抵抗値とは、どれだけ電圧を下げるかという値です。


では、実際に運転してみましょう。
抵抗制御回路概念図
抵抗制御回路を極端に略した概念図です。この回路では永久直列5段の制御回路です。カクカクした線が抵抗器です。抵抗器は4つなのに5段といってるのは、抵抗器を繋がない分があるからです。
そして1ノッチ=1段進段の手動進段制御という前提で抵抗制御を解説します。
マスコンはブレーキや惰性走行(惰行)のために「切」ノッチがあり、切は集電装置からの電流を遮断します。この図はその状態と思ってください。
resist_ctrl_p1.gif
5段だと面倒なので1段抵抗器を減らしてしまいましたが、このまま解説を続けます。全部のスイッチを切り離したこの回路に架線電圧をかけると電気はすべての抵抗器を通り、一番低い電圧でモーターが始動します。このときのマスコンは1ノッチ目です。切ノッチがあるので1ノッチ目のハンドルの位置は2目盛り目になります。

ノッチを上げることを進段というんですが、この瞬間は回路のスイッチが入るときにスパイクという現象[注1]により電流が跳ね上がります。このときにモーターのトルク(回転力。例えば自転車を漕ぐ足の力と同じ)が急変して列車はガクッという衝撃を受けます。乗り心地の悪化だけでなく、粘着性能(摩擦力)が低下して空転や滑走の引き金にもなりますが、なにしろ単純でローコストな制御方式なので目を瞑ったということです。この現象は1ノッチ目だけでなく、すべてのノッチで発生します。


注1
スパイクとは、電気回路に悪影響を及ぼしたり破壊するような大きな電流の総称です。
スパイクには3種類存在し、そのうちふたつはまとめてサージといいます。サージは回路を逆行する大波電流(サージ電流)および電圧(サージ電圧)で、マイナスからプラスに向かって進みます。もうひとつは突入電流といい、文字通り回路に入っていく、つまりプラスからマイナスに向かう大波電流です。これらをまとめてスパイク(尖った電気信号)といいます。画像はWikiMediaより引用


余談ですが、「切」から進段することはノッチを入れるとか投入するともいいます。それ以降は進段といいます

抵抗制御回路概念図 ノッチ2
電流計を見て突入電流が安定したところ(そこを限流値といいます)でマスコンを2ノッチ目に進めます。左端のスイッチが入ります。電流は抵抗値の低い方に流れ、ほかの抵抗器へのスイッチは切られているので、通り道ができている抵抗器の中を通っていきます。左端の抵抗器1つが短絡されたことになります。これでモーターにかかる電圧が上がるので、回転数がさらに上がります。
resist_ctrl_p3.gif
さらに1段進めて3ノッチ目です。中央のスイッチも入り、2つの抵抗器が短絡されます。モーターにかかる電圧がさらに上がります。
resist_ctrl_p4.gif
マスコンを最大にします。すべてのスイッチが入り、抵抗器を1つも通らずにモーターに通電(電気を流すこと)し、最高速度まで上がっていきます。

これが抵抗制御の基本です。初期の路面電車ならこの永久直列抵抗制御だけで十分だと思いますが、実際には先ほどのように直並列切り替えを加えたり、弱め界磁制御(次で解説しています)を加えて高速運転を実現しています。
組み合わせ例:
  • 永久直列抵抗+弱め界磁(近鉄900系、東急旧6000系、同7000系東洋電機製など)
  • 直並列抵抗+弱め界磁(ほとんどの抵抗制御車)


このように直流電動機の速度制御は非常に単純なので、電気車が登場して間もない頃は直流電化のもと、直並列抵抗制御で走っていました。これは鉄道用の変電所(電鉄変電所)に変圧器と真空管や水銀整流器(現在は半導体整流器)を設置して交流を直流に変換して電圧を十分に下げたうえで架線に流せばよいので、車内に変圧器や整流器を設置する必要がないため、世界中で直流電車が普及しました。

 

 

抵抗制御の実際

さて、ここまではいきなり電源電圧を流すとよくない、ということで抵抗器で電圧を下げてから起動→乗り心地を改善するために抵抗器を増やす→結果的に速度制御できる、と説明してきました。
厳密に言うと、抵抗器で電圧を下げてから起動するという点は一緒ですが、抵抗器を短絡して電圧を上げると逆起電力が増加して電流の流れが悪くなり、同時にトルクが低下していきます。そのままでは効率的に加速できないので、逆起電力を上回るようにさらに電圧を上げて電流を確保していく...ということを繰り返すことでトルクを一定に保ちながら加速するのが実際のところです。

バーニア制御

抵抗制御には面白い方式があります。抵抗器の数をさらに増やし、増やした抵抗器(副抵抗器)の抵抗値を変えて並列接続とし、突入電流を抑制して乗り心地の改善を試みたのが超多段式抵抗制御、いわゆるバーニア抵抗制御です。バーニアとはノギスの副尺のことで、主尺(メインの定規)とは異なる間隔で目盛りが振られていて、主尺の最小単位よりさらに1/10、1/20まで測定できるようにするものです。バーニア抵抗制御は副抵抗器をこの副尺に例えて名付けられたそうです。

例えば、主抵抗器(抵抗値3)×4、手動進段として普通の抵抗制御を行ってみましょう。
まずは起動ですね。1ノッチに進段します。最初の抵抗値は抵抗値3×接続数4で抵抗値は12です。
もう1ノッチ進めると抵抗器が1つ抜けるので抵抗値3×接続数3となって合計は9。
3ノッチ目は抵抗値3×接続数2となって合計は6です。
4ノッチ目は抵抗値3×接続数1ですから合計は3。
最終段の抵抗値は抵抗器を通らないので0です。

今度はバーニア制御です。主抵抗器(抵抗値3)×4個、副抵抗器(抵抗値0.5)×5個として(下図)手動進段で運転してみます。
バーニア制御回路の概略図
起動時は主抵抗器4個だけで抵抗値は12です。
1ノッチ進段します。主抵抗器が1つ抜け、副抵抗器が接続されるので主抵抗器3個×副抵抗器5個で抵抗値は(3×3)+(0.5×5)=11.5になります。
3ノッチ目~6ノッチ目は副抵抗器が下から順に1つずつ抜けて抵抗値は11、10.5、10、9.5と変わります。
7ノッチ目は副抵抗器が全部抜けて主抵抗器3個分の9。
8ノッチ目では主抵抗器が1つ抜け、再び副抵抗器が接続されます。主抵抗器2個+副抵抗器5個で抵抗値は8.5になります。
9~13ノッチ目で副抵抗器が抜けて抵抗値は8、7.5、7、6.5、6と変化します。
12ノッチ目で主抵抗器が1つ抜け、副抵抗器が接続されて主抵抗器1個+副抵抗器5個で抵抗値は5.5。
13~17ノッチ目で副抵抗器が抜けて抵抗値は5、4.5、4、3.5、3と変化します。
18ノッチ目は主抵抗器が全部抜け、副抵抗器5個分の2.5。
19~22ノッチ目で副抵抗器が抜けて抵抗値は2、1.5、1、0.5と変化。
最終23ノッチ目でようやくすべての抵抗器が抜けて抵抗値が0になります。
先の例では抵抗値が大きく変化していましたが、バーニア制御は間が埋まってだいぶ滑らかに変化するようになります。その分「超多段式」というだけあってノッチ数が多くなってしまいます。
今回の例では23段としましたが、実際だと普通の直並列組み合わせ制御より少し多いくらいです。バーニア制御は名に恥じないほどの段数で、例えば小田急2400形は直並列段だけで74段(直列33段、並列41段)にも及びます。電車では50段以上が一般的だと思います。空転に厳しい電気機関車になるとさらに段数が増えます。

低速域が抵抗制御であればその後がどんな方式であっても適用できるので、バーニア界磁チョッパ制御やバーニア界磁添加励磁制御なんていうのも可能で、実際に存在します。またバーニア制御が登場する頃にはプログラムによる制御も可能になり、複数の接点を同時に切り替えることが可能になっています。

鉄道ならではの「惰性走行」

ところで、途中の速度を維持したいときはどうするか。2ノッチの速度を維持してみましょう。
まずは切から1ノッチに進段します。少ししたら目標である2ノッチ目に進段します。そしてマスコンを切に戻します(ノッチオフ)。すると惰性による走行、いわゆる惰行運転が始まります。
ほとんどの鉄道は鉄の車輪で鉄のレール上を走っています。ゴムタイヤでアスファルトを走る自動車と違って圧倒的に摩擦が低く、鉄道模型などと違ってモーターは電気を遮断しても車輪につられて回転し続けるので、平坦な場所でもかなり長いことその速度を維持できます。
とはいってもいずれは止まってしまいます。なので少し減速したら再び少しずつノッチを入れていき、やはり2ノッチにして少ししたら惰行に移します。

平坦な場所や下り坂ならともかく、上り坂だとあっという間に惰性を失います。できることなら2ノッチに入れたままにしたくなりますね。
しかし、電灯を使っているときに電灯に触ると熱くなるように、抵抗器も長い間通電していると次第に熱を持ちはじめます。そのまま通電を続けると熱がどんどん上がり、抵抗器は過熱によって壊れてしまいます。
電灯も使い続ければいずれはフィラメントが切れてしまうのと同じです。
ともあれ、発熱による破損を防ぐため、ことさら上り勾配においては頻繁にマスコンの操作を繰り返す必要があります。
また、最大のノッチでは抵抗器を通らないので、この場合は手動進段でも一定のノッチを維持できます。また、直並列制御を組み合わせた場合は直列、並列の各最終段で抵抗器を使わない段があるので、ノッチを維持できる速度域が増えます。

自動進段の場合は自動的に電流を見てこれを行うので、一定のノッチで維持することができます。基本的には電流が限流値まで下がったときにスイッチが作動するようにしてあり、スイッチが作動したときにカムモーターが作動することで目標段数(マスコンで指定した段数)まで進段します。マスコンの進段がない場合は電流が下がり続けるので、これを目安にして主回路に流れる電流を遮断します。そのままマスコンの進段がない場合は改めてすべての抵抗器を繋いだ状態(全抵抗状態)から目標段数まで進段、ということを繰り返します。

抵抗器のスイッチとマスターコントローラ

抵抗器の接続数を変える方式にもいくつかあります。今現役の抵抗制御系列の電気車はほとんどが電動カム軸式という方式を用いています。マスコンを動かすと小型のモーターが回り、カムという出っ張りの付いた軸が回転します。抵抗器を接続しているときはカムの出っ張りが移動してスイッチはバネの力で下がります。切り離すときはカムの出っ張りがスイッチを押し上げ、回路を短絡します。下の概念図は抵抗器との接続が短絡されている様子です。
電動カム軸式抵抗制御装置概念図
他には単位スイッチと呼ばれるものを用いた方式があります。
これらは間接式主幹制御器(主幹制御器=マスコン)と呼ばれ、蓄電池からの供給や電動発電機(MG=Motor Generator)・静止インバータ(SIV=StaticInVerter)などの補助電源装置によって得られる低電圧・小電流の電源を制御指令として、離れた位置の主制御器を遠隔操作できる方式です。

これ以前は直接式という、架線電流をそのまま運転台内部に流し、運転士がマスコンを動かしてカム軸を操作することで抵抗器の接続数を制御していました。この方式ではマスコンは非常に重く、なおかつ架線電流が体のすぐそばまで来ているため、絶縁処理を徹底しないと非常に危険なものでした。さらに架線電流が必要なため、集電装置を持たない車両での運転操作ができない、運転台自体が速度制御装置であるため2両以上の同時制御(総括制御)が困難、自動進段による自動加速ができないなど欠点が多いものでした。

自動進段とは、現在のノッチを目標速度として、その速度までの抵抗器の接続数を自動的に変える方式です。この場合ほとんどのマスコンは4ノッチだけメモリが振られていますが、4ノッチまでに十数段~三十数段(バーニアの場合30段以上。50段以上が多く、日本の電気機関車を除いた最多段数は小田急2400形の81段)ほどのノッチがあって、各ノッチごとに自動的進段します。ただし1ノッチ目だけは「起動」として1段しかありません。
それに対するものが手動進段で、目的の速度になるまで運転士の判断でノッチを切り替えていく方式です。ノッチ位置と抵抗器の接続数が常に比例している、ということができます。

さて、長くなってきたので今回はここまで。次回は弱め界磁制御について解説します
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本当は先週、記事を拝見していたのですが、きちんと理解してからコメントをさせていただきたいと思っていたら今日になってしまいました。
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