回生ブレーキと制御回路

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回生ブレーキと制御回路

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/03/25 17:01 UTC 版)

「回生ブレーキ」の記事における「回生ブレーキと制御回路」の解説

回生ブレーキを利用するには、架線や蓄電池などの電源より高い電圧を発生させる必要があるため、単に電動機を電源に接続しただけでは安定した制動力を得ることはできない。そのため、鉄道車両では安定した制動力と大きな回生電力を得るために様々な改良が加えられてきた。ただし、直流電動機で発生する回生電力は直流であり、交流電源に回生するには回生用インバーターが必要なため、従来の交流形車両や交直流車両で採用される例は少なかった。 抵抗制御 抵抗制御は「余分な電力を熱として捨てる」という制御方式で、電気ブレーキが必要な車両では回生ブレーキでは無く、発生電力を抵抗器で消費する発電ブレーキとして、やはり「熱として捨てる」場合が多かった。直並列制御として主電動機を回生時に直列接続すれば架線電圧より高い電圧を確保できるが、これだけでは制動能力が不安定である。界磁調整器を搭載することで、理論上打ち切り速度は高いが安定した回生ブレーキを搭載することは可能である。界磁調整器としては主に磁気増幅器が使用されるが、これは同時に界磁接触器の代わりに界磁率を調整可能（直巻他励界磁制御）なため、制御器の接点数削減にも有効である。発電ブレーキと同様、打ち切り速度は主電動機の歯車比や定格速度によって大きく左右されるが、おおむね40km/h前後と高く、回生効率自体も半導体を使ったものに比べて明確に劣る。ただし、後述の電機子チョッパ制御は大電力用半導体が高額であること、界磁チョッパ制御では過渡特性が鉄道車両にはやや不適な複巻電動機を使用する必要があることから、界磁添加励磁制御が普及するまで使用された。 タップ制御 主変圧器のタップ（出力端子）を切り替えることによって速度制御をする交流専用の制御方式である。交流電源ではもっともシンプルかつ古典的な制御方式であるが、タップの切り替え回路とは別にインバータ回路を組み、主変圧器に戻すことができれば回生ブレーキは可能である。回路が大がかりになるため、運用線区に長い下り勾配があり、電気ブレーキを長時間連続で使用しなければならないなど、特殊な条件下で使用される車両（国鉄ED79形電気機関車等）などにしか回生ブレーキは採用されていない。 サイリスタ位相制御 交流電力波形の一部を取り出す位相制御を行うことで電圧制御したのち、整流して直流整流子電動機を駆動する交流車両専用の制御方式。回生時はサイリスタをインバータとして用い、主電動機で発生した直流電力を交流に変換する。電気機関車では主回路に抵抗器をもたなくて済む関係から山岳線区を中心に多く用いられてきた。これに対し電車においては交流電化間は回生ブレーキを積極的に利用する必要な過密区間ではないことが多く、また直流電化区間との直通運転のため直流電車に整流器を搭載した交直流電車が多用されるため、発電ブレーキを搭載する車両が多く、このサイリスタ位相制御を用いた回生ブレーキを搭載するのは、日本では国鉄713系電車、JR九州783系電車など少数派である。 電機子チョッパ制御 サイリスタを直流電化に応用したもので、主回路を高速にOn-Offすることで制御する。回生時は主電動機に逆電圧をかけて電源電圧より高い電圧を得る。高速時から回生ブレーキを立ち上げると逆に架線電圧を大幅に上回ってしまうため、抵抗器を挿入して規定の電圧以内に抑える工夫がなされる場合がある。打ち切り速度は数km/h程度。 界磁チョッパ制御 複巻整流子電動機を利用して界磁回路のみをチョッパ制御としたものであるが、主回路は抵抗制御のままであるため打ち切り速度は20-40km/h程度と高い（定格速度にほぼ比例する。また直並列切替を行わない場合はその約2倍となる）。 界磁添加励磁制御 直巻電動機を利用しつつ、補助電源を利用して界磁調整を可能とした。主回路は抵抗制御のままであるため打ち切り速度は15-30km/h程度と高いが、回生失効は起こりにくい。界磁チョッパ制御を直流直巻電動機に応用した制御方式で、界磁チョッパ制御の問題であった複巻電動機の過渡特性の悪さを克服した形となり、大容量半導体が不要で安価であることから、国鉄およびJRでは211系、205系など新製車両に多用され、特に後者は1,461両の国鉄形式第5位（在来線に限れば第4位）の大量製造に至った。また、日本初の回生ブレーキ搭載交直流車両であるJR東日本651系電車もこの方式である。また、抵抗制御の車両から簡易に改造できるというメリットもあり、私鉄や公営地下鉄では名古屋鉄道5300系電車・京阪2200系電車・営団5000系電車などのように既存形式からの改造がよく行われた。 界磁位相制御 補助電源の整流子電動機からの界磁電流制御による回生ブレーキを使用可能とした。複巻整流子電動機を使う京阪方式と直巻電動機を使う近鉄方式がある。京阪電鉄では1983年12月に600Vから1500Vへの昇圧を控え、複電圧に対応できて界磁チョッパ制御と同じ節電効果が有るとして1970～80年代にかけて大量に導入された。 VVVFインバータ制御 マイクロコントローラとスイッチング素子の組み合わせを3つ（6素子）以上構成して直流電源から速度にあわせて三相交流を作り出し、交流電動機を利用できるようにしたもの。回生時は速度にあわせて各相に逆電圧をかけるよう制御して、直流電力を得る。打ち切り速度は理論上数km/hまで保持出来るが、鉄道車両の中にはあえて他の制御方式の車両とタイミングをあわせるため、高い速度で打ち切りを行う場合もある。交流から交流への直接変換回路は開発中であるため、電源が交流の場合は回生時に一度インバータ部で直流を作りだし、コンバータ部で再び交流にして架線に返す（加速時と役割が逆転する）。電車による交流電源への回生が一般化したのは、この方式が普及してからである。インバーターに搭載のソフトウェアによっては純電気ブレーキが利用できる。この制御方式を採用している車種のほとんどは、回生失効時には特有の発振音（ノイズ）が聞こえなくなるので、他の制御方式に比べ判別しやすい。