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[C98] 承認待ちコメント

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  • 2014-04-12
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[C97] Re: 間違ってますよ

ご指摘ありがとうございます。
追記した通りの理由で単純なスイッチを利用しましたが、うっかりそのことを書き忘れていました。
  • 2012-09-06
  • 投稿者 : 春風☆一
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[C96] 間違ってますよ

高圧側コイルをスイッチで短絡していますが、これだとコイルに過大電流が流れて焼損します。
高圧タップ制御では単巻き変圧器で電圧調整します。これは、パンタからレールの間に繋がれたコイルの途中から電圧を取り出す方式です。どの位置から電圧を取るかをスイッチで切り替えます。
  • 2012-09-01
  • 投稿者 : 通りすがり
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[C77] 高圧タップの位相制御

こんにちは。某サイトで、速度制御のページを書いていたりする者です。こちらのブログも拝見いたしておりました。どうぞよろしく。

さて、高圧タップの図解について、これは水銀整流器で見られるセンタータップ方式の全波整流だと思いますが、高圧タップ+格子位相制御の無電弧タップ切り替えの仕組みがわからないでおります^^; もしよろしければ、次回でご説明をいただければと思っています。
  • 2009-09-20
  • 投稿者 : イカ
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電車の制御方式 4 - タップ制御
[EDIT]
久しぶりに電気車の制御方式シリーズに戻ります。
今回は予定を変更して交流車の制御方式を解説します。

日本に限らず、交流車といえども直流電動機を利用して走ります。
交流車の開発実験をしている当初は三相交流を流してVVVFを使わずに交流の誘導電動機を駆動したり(スイスのユングフラウ鉄道やゴルナーグラート鉄道など、共に現役)、単相交流で交流整流子電動機を駆動したりといった方法が試されましたが、整流器を通して直流電動機を利用する方式が普及しました。そんな交流車も今では単相交流をいったん整流器で直流にし、それをさらにVVVFインバータに流して三相交流電動機を駆動する方式に移行しつつあります。
日本における、VVVFを用いない制御方式は大きく2種類に分けられます。

その前にまず交流電気をどうやって直流にするかを知っておく必要があります。
電車に限らず、交流を直流にするには整流器というものを使います。整流器はコンバータともいい、逆に直流を交流にする装置をインバータといいます。
交流は+から-、-から+と、流れる向きと電圧の大きさが交互に変わる電流です。交番電流ともいいます。
一方の直流は常に流れる向きが変わらない電流のことです。電圧は変化しても構いません。
つまり、交流電流の向きの半分だけを取り出せれば直流として使うことができます。整流器はこれを行う装置です。

電流の向きを制限するものとしては、ダイオードと呼ばれる半導体があります。これを使えば向きを一定にすることができます。
一番単純なのが下図の回路です。ダイオードをひとつだけ挿入したもので、電流がダイオードを通過できる向きの時だけ右側の回路を時計回りで流れ、逆向きになったときは電流が発生しなくなり、結果としてB点電流が示すような電流になります。これでもれっきとした直流で、半波電流といいます。電球にこの電流を流すと、1秒間に25~30回点滅するようになります(あくまでもどんな電気でも受け付けられる電球の話ですが)。
半波整流
普通直流用として設計された機器は動作してくれません。コンデンサなどを挿入して山をなだらかにする必要があり、装置が大きくなってしまいます。
日本の電気車ではより効率がいい、ブリッジ回路を用いた方式が主流でした。この直流は全波電流といいます。
ブリッジ回路全波整流
なんとも奇妙な回路ですが、電気の流れを指でなぞって把握するには最適な図なんだと思います。もう少し平べったく描くこともできます。

さて、肝心の速度制御ですが、日本ではおおまかに2種類ある方式のうち、古典的なタップ制御を解説します。連続位相制御はまたいずれ。

まずは概念から始めましょう。日本の交流車の架線電圧は在来線で2万ボルト、新幹線で2.5万ボルトが採用されています。これは送電時のエネルギーロスが少ないこと、それに関連して長距離送電が容易で、変電所の数を減らせることで結果的にコストダウンに繋がること、変電所設備に整流設備が不要でさらにコストダウンが図れる、高電圧であれば小さい電流で済むことなどのメリットに着目して決まった電圧です。
しかしこの電圧を直接モーターにかけるわけには行かないので、車両に搭載した変圧器で降圧する必要があります。
変圧器の概念はこうです。まずパンタグラフに繋がっている導線をビニールなどの絶縁体で覆って、誘導体と呼ばれるリング状の鉄心に巻き付け、アースに接続します。巻き付けた導線を一次コイルと呼びます。一次コイルと並列して主回路に繋がる導線を同じ誘導体に巻き付けます。この導線を二次コイルと呼びます。変圧器はコイルの巻数を変化させると、それに応じた電圧が発生します。
変圧器の概要
コイルに電流が流れるということは右ねじの法則に則って、右回りに磁界が発生します。右ねじは右に回すとねじが進む...つまり締まっていきます。導線に電流が流れると、同じように電気が進む向きに対して右回りの磁界が発生します。ねじのほかには、右手でGoodサインを作って親指を左側に倒すという覚え方があります。親指の向きが電流の向きで、残りの指が磁界の向きを表します。
磁界が発生したということは、極端に言えば磁石ができたということです。変圧器では一次コイルに発生した磁界が誘導体を伝わって二次コイルに辿り着きます。
このとき、コイルを絶縁していないと誘導体に直接電気が流れてただの回路になって変圧できなくなります。なので、普段よく目にする電気コードと同じようにして絶縁してあります。磁界は絶縁体に関係なく発生するのでこの辺は心配には及びません。
そして二次コイルの中を通過すると、今度は逆に磁界から電流が発生します。
実際には一本の鉄芯に一次コイルの上に二次コイルを一緒に巻き付けています。ものによっては一次コイルと二次コイルを交互に巻き付けたりするようです。

さて、この鉄芯に一次コイルを100回、二次コイルは50回巻き付けて一般家庭で得られる100Vの交流を一次コイルに流すと、二次コイルには50Vの交流が発生します。電圧は巻数の差に比例するので
 出力電圧V=入力電圧Iv÷(一次コイル巻数Ai÷二次コイル巻数Bi) … 式1
で表せ、Ai=100、Bi=50の変圧器にIv=200を流すと200÷2でV=100、すなわち100Vとなります。
ただし、一次コイル巻数<二次コイル巻数の関係が成り立つ場合は
 出力電圧V=入力電圧Iv×(二次コイル巻数Bi÷一次コイル巻数Ai) … 式2
となって、Ai=50、Bi=100の変圧器にIv=200を流すと200×2でV=400と、電圧が上がります(昇圧)が、式1だけ覚えてください。
タップ制御はこれを応用して直流電動機に与える電圧を調節し、速度を制御します。

タップ制御にも2通りの方式があります。
切り替えタップを高電圧の一次コイル側に設置する高圧タップ制御と、低電圧の二次コイルに設置する低圧タップ制御です。
高圧タップ制御
こちらは高圧タップ制御の回路図(概念図※)です。タップスイッチを入れるとそこで一次コイルが短絡されて実質コイルの巻数が変化し、得られる電圧も変化します。
整流器は電流の方向によって赤方向か青方向に流れ、直流になります。
高圧タップ制御通電サンプル
例えば3つのタップスイッチをONにすると太い赤矢印のように流れます。
これがタップ制御の基本です。

追記 @2012.09.06
※この図は分かりやすさを優先して複数のコイルに分割し、それぞれを単純なスイッチで接続を切り替えることでコイルの長さ=巻数を変えていますが、実際はコイルの一部に突起がつくられていて、そこにスイッチを接続するようになっています。見かけはコイル全体に通電してしまって電圧が変わらないように思えますが、スイッチから先に流れることがないので電圧はちゃんと変化します。


低圧タップ制御は次の機会に解説します。
関連記事

4件のコメント

[C98] 承認待ちコメント

このコメントは管理者の承認待ちです
  • 2014-04-12
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[C97] Re: 間違ってますよ

ご指摘ありがとうございます。
追記した通りの理由で単純なスイッチを利用しましたが、うっかりそのことを書き忘れていました。
  • 2012-09-06
  • 投稿者 : 春風☆一
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[C96] 間違ってますよ

高圧側コイルをスイッチで短絡していますが、これだとコイルに過大電流が流れて焼損します。
高圧タップ制御では単巻き変圧器で電圧調整します。これは、パンタからレールの間に繋がれたコイルの途中から電圧を取り出す方式です。どの位置から電圧を取るかをスイッチで切り替えます。
  • 2012-09-01
  • 投稿者 : 通りすがり
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[C77] 高圧タップの位相制御

こんにちは。某サイトで、速度制御のページを書いていたりする者です。こちらのブログも拝見いたしておりました。どうぞよろしく。

さて、高圧タップの図解について、これは水銀整流器で見られるセンタータップ方式の全波整流だと思いますが、高圧タップ+格子位相制御の無電弧タップ切り替えの仕組みがわからないでおります^^; もしよろしければ、次回でご説明をいただければと思っています。
  • 2009-09-20
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