北熊本製作所 北九州支店

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弱め界磁制御による整流悪化とは

ハイレベル鉄道技術講座(仮)
~ネットになかなか載っていない鉄道技術~
第二回 弱め界磁制御による整流悪化とは


※諸般の事情により、画像は遠い未来に付ける予定です。

 第一回はかなりハードな内容でしたので、今回は少し軽いものを。
と言っても、第一回を読まないと理解できない鬼仕様ですが(^_^;)

 交流電車では、弱め界磁制御はあまり使われません。その代わり、整流子などの耐圧を高めて、直流電車に比べて電動機への印加電圧を高めることがあります。これは何故なのでしょうか。

 電動機の速度が上がると、逆起電力も大きくなってきます。そして、電動機への印加電圧が最大になると、逆起電力の増加で徐々に電流が小さくなり、トルクが減少、そしてある点で速度の増加は止まってしまいます。そこで、界磁を弱めることで、逆起電力を小さくする弱め界磁制御が、高速域で使われます。
 しかし、どこまでも界磁を小さくできるかと言うと、そうではありません。界磁を小さくし過ぎると、第一回にも登場した、整流悪化が生じるのです。

 第一回に補極の話をしましたが、補極によって磁束の変化が0になる点を補正し、整流悪化を防ぐことができるのは、補極、界磁、電機子の磁束があるバランスになっているときだけです。ここで、界磁を弱めると、そのバランスは崩れてしまいます。つまり、電機子コイルの磁束のほうが相対的に強くなるので、磁束の乱れが大きくなり、磁束の変化が0になる点がずれて、整流悪化が生じるわけです。

 従って、弱め界磁制御は極力避けたいわけです。しかしながら、直流電車では、抵抗制御で高速域まで制御すると、抵抗器を挿入している時間が長くなりますから、損失が大きくなってしまいます。それに、弱め界磁なしでは、高速域での出力低下をカバーするため、出力の大きな電動機を使うか、加速度を犠牲にする必要が出てきます。それを避けるため、低速域は抵抗制御、高速域は弱め界磁制御と使い分ける必要が出てきてしまいます。しかし一方、電動機への印加電圧を自由に選べて、抵抗器での損失もない交流電車では、弱め界磁の代わりに、電圧制御の範囲を広くとる(→最大印加電圧を上げる)ことで、高速域の特性を確保しているのです。特に、ただでさえ制御悪化の恐れのある交流電車に、更に制御悪化させるようなことをしたくないというのもあるでしょうね。
 ただし、例外は沢山あります。


※電気自動車でも弱め界磁の考え方を取り入れる動きがあるようです。電気自動車の場合は誘導電動機か永久磁石同期電動機がVVVF制御で使われますが、固定子のコイルの巻き数を半導体スイッチで切り替えて実現するようです。
 誘導電動機では、高速域で印加電圧が最大となったとき、更に加速するには滑りを大きくしてやる方法があります。よって、弱め界磁のような方法は普通使われません。一方の永久磁石同期電動機では、滑りを大きくできないので、もしかすると同期電動機用の技術かもしれません。
 しかし、損失をあまり大きくすることなく幅広い電圧制御が可能なVVVFでは、わざわざ弱め界磁しなくても印加電圧を高めればいいような気もします。しかし、自動車という一般向けの製品で、かつ鉄道よりも事故が起こりやすいという条件では、電圧はあまり高くしたくありません。しかも、電圧をあまり上げると機器が高価になります。(下げすぎても高価になるので見極めが重要。)従って、低い電圧でも幅広い速度域でトルクを確保するには、弱め界磁を取り入れる方法も有効ということかもしれません。
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交流整流子電動機は何故鉄道で使われなかったか

ハイレベル鉄道技術講座(仮)
~ネットになかなか載っていない鉄道技術~

第一回 交流整流子電動機は何故鉄道で使われなかったか

※画像を付けたいのですが、諸般の事情によりいつになるか分かりません。

ご注意
このシリーズは、電磁気や電気の知識がないと完全には理解できないかもしれませんが、これは仕様です。


 日本の鉄道に交流電化が導入されたとき、当然、交流電気機関車が開発されました。このとき試作れたのが、ED44 1と、ED45 1でした。


ED44 1
交流電流にて交流整流子電動機(直巻電動機)を駆動。
制御方法は変圧器タップ制御。

ED45 1
水銀整流器により交流を直流に変換し、直流整流子電動機(直巻電動機)を駆動。
制御方法は変圧器タップ制御+水銀整流器による位相制御。


 試験の結果、ED44 1のほうが電動機の消費電力が大きいにもかかわらず、ED44 1は、起動加速度、勾配・平坦における引き出し能力など、様々な点でED45 1に劣っていました。しかも、ED44 1は1運用ごとに整流子を磨かなければならず、極端に手間がかかることがわかりました。結果、ED45 1で用いた整流器+直流電動機という組み合わせが、VVVFインバータが登場するまで交流電気機関車の構造として受け継がれることになりました。

 では、なぜ、ED44は欠点だらけになったしまったのでしょう。使用した電動機は、ED45と同じ直巻電動機であったはずなのに。もちろん、ED45の位相制御による電動機の連続制御は、ED44に比べて非常に優れた点ではありました。連続制御であれば、空転しづらく、引き出し能力も高められるのです。しかし、後に水銀整流器が壊れやすいためにシリコンダイオードに置き換えられても、やはり整流器+直流電動機の構造のほうが優れていました。これはなぜなのでしょう。


 交流整流子電動機の欠点の原因は、変圧器起電力と、電流に対する磁束の遅れが原因で、整流悪化が生じるためです。

変圧器起電力とは



 変圧器起電力とは、交流電流を流しているときに、界磁コイルと電機子コイルが変圧器の働きをして、電機子コイルに電圧が発生する現象です。界磁コイルにsin(2πft)の電流を流すと、電機子コイルには2πf・cos(2πft)に比例する電圧が生じます。fは電源周波数です。
 整流子電動機が回転すると、整流子の上をブラシが滑るわけですが、ブラシが隣り合う整流子の接点同士を短絡する瞬間があります。このとき、そこに繋がる電機子コイルの1つが短絡されます。交流整流子電動機では、電機子コイルには、変圧器起電力が生じているので、その起電力を短絡してしまい、短絡電流が流れることになります。従って、整流子とブラシの間で火花が生じるわけです。このように火花が生じることを、整流悪化と呼びます。しかも、ブラシが短絡するときは、電機子コイルが界磁コイルに接近しており、変圧器起電力は大きくなっています。このような短絡電流は、無駄に電力が消費されるので、出力の低下にも繋がってしまいます。

電流に対する磁束の遅れとは



 また、導電体鉄心に巻かれたコイルに交流電流を流すと、生じる磁束は電流に対して遅れます。鉄心には電流が流れることができるので、鉄心は短絡されたコイルと見ることができます。従って、鉄心にコイルを巻くと、2次側が短絡された変圧器と見ることができます。コイルに交流電流を流せば、鉄心に電流が生じます。これは渦電流と呼ばれます。
 この渦電流も、無駄に電力を消費するのでよくありませんが、もっと問題があります。渦電流は、コイルが発生する磁束の変化を妨げるように生じます。よって、鉄心に巻かれたコイルから生じる磁束は、コイル電流に対して遅れてしまいます。これは、補極の効果を下げてしまいまい、清流悪化につながります。

補極とは
 補極について説明しておきましょう。電動機は、直流、交流にかかわらず、逆起電力が生じています。整流子電動機であれば、これは電機子コイルからも生じるわけです。もし、変圧器起電力のときと同じように、この起電力をブラシが短絡してしまうと、整流悪化となります。ブラシが短絡する電機子コイルは、界磁コイルにもっとも接近しています。よって、単純に考えれば、ブラシが短絡する電機子コイルが受ける磁束の変化は0で、起電力は生じていないように見えます。しかし、実際には、電機子コイルの磁束と界磁コイルの磁束が合成されて、磁束の変化が0になる点はずれています。よって、ブラシは逆起電力の一部を短絡することになり、これも整流悪化につながります。
 補極は、界磁コイルと90°の位置に設けられたコイルです。補極による磁束によって、電機子コイルが受ける磁束の変化が0になる点を、ブラシが電機子を短絡する点に合うように補正して、整流悪化を防ぎます。

 話を戻しましょう。
 電流に対する磁束の遅れは、界磁コイル、電機子コイル、そして補極の間でまちまちです。よって、磁束のバランスが崩れて、電機子コイルが受ける磁束の変化が0になる点を補極によって補正することができなくなります。そして、整流悪化になってしまいます。

まとめ



 以上により、交流整流子電動機は整流悪化という大問題があることがわかりました。つまり、火花により整流子とブラシがすぐに摩耗し、短絡電流により無駄な電力消費が起こり、同じ電力をつぎ込んでも、直流整流子電動機より低い出力しか得られないことになります。ですから、電気機関車という大出力用途ではまともに使えなかったわけです。
 また、ED45のように整流器を用いた場合でも、整流後の波形が脈打っているとその交流成分より整流悪化が生じます。よって、平滑リアクトルを用いて、整流後の波形を直流に近づけることが必要になります。 なお、変圧器起電力は、周波数に比例する大きさで発生します。また、電流に対する磁束の遅れは、周波数が高いほど大きくなります。ヨーロッパで低周波交流(25Hzや50/3Hz)による交流電化が行われているのはこのためです。

RCCF-1201SPとMSI 915G-COMBO まとめ

前回の続きとまとめ

●RCCF-1201のファンは、PWM信号のデューティー比と回転数の対応が通常の逆

デューティー可変の発振回路を組んで、リテールファンと比較ずみ。RCCF1201のほうはデューティー100%で最低回転数、デューティー数%のところで最大回転数となり、0%でまた下がって最大回転数より少し遅くなる。意味分からん。


●マザボによっては、PWM信号が逆でも自動的に対応することがある。ただし、制限あり。

915G-COMBOは対応していた模様。回転数を監視しながらPWMを変化させて回転数の変化を探っているのだろう。しかし、回転数の探りは起動後にしか使えないため、起動直後のファンの回転数が遅すぎる場合があり、次の問題を引き起こす。


●CPUファンの回転の立ち上がりが遅いと、ファンがないと判断するマザボあり
●ファンがないと判断すると、警告なしにファンへの電源供給を断つマザボあり

915G-COMBOが当てはまる。スタンバイ復帰時は特に、PWMの設定がRCCF1201にとって低速回転(普通のファンにとって高速回転)になっているため、立ち上がりが遅れやすい。
CPU fan alarmをdisableにすると電源供給を断たれることはなくなるが…


●CPU fan alarmをdisableにしてから何故か4ピン用PWMが効かなくなった

常に最低回転数となってしまう。enableに戻してもやはり効かない。CMOSリセットも効果なし。単に壊れたのだろうか…
しかし、信号が逆でないリテールファンも最低回転になるため、マザボはわざわざ最低回転になる点を探っていることにる。つまり、PWMのパルスは出ている。これはいったい何なのだろう。
メーカーに聞いても故障扱いだろうな。


■その後■
あれこれやるうちにPWMが効かなくなったので、ファンを最大回転数に固定するため、ファンのPWM信号端子を切って、GNDに落としました。通常のファンなら5Vに繋ぐべきですが、PWM信号が逆になっているのでGNDです。
なお、この状態では、CPUファンは3ピンのものと等価です。915G-COMBOには、4ピン用と3ピン用のファン制御機能があるので、3ピンに切り替えるとファンの制御はできます。しかし、これも何故か上手く働かないことがあります。このときは最大回転数で変化しなくなるのでマシではありますが、少々不安なので、ファン電源は別のとこから引っ張り、最大回転数固定にします。

納得いかないのですが、やはりマザボが壊れたのか…結局、怒りの矛先をどこに向ければいいのかも分からず、そもそもマザボのPWM機能が壊れた(という扱いになる)という時点でもうこれ以上の調査は無意味です。時間を返してくれ…

ファンアラームは別途必要になりそうですね…。

というか、リテールクーラーより冷えないんですがこれ。

低速CPUクーラーの相性問題?

【追記】
あとから分かったことですが…
なんてこった!このCPUクーラー、PWM信号のデューティー比が0%でフル回転、100%で最低速、普通と逆じゃねえか!


そんなわけで、以下の内容には一部誤りがあります。正確な調査結果と事の顛末は翌日(11/05/18)の記事をご覧ください。




RCCF-1201SPという、大型ヒートシンクをもつCPUクーラーを買いました。このファンは500~1500rpmと低速で、静かなのですが…なんと、スタンバイ復帰後にファンが動かない!

どうやら、スタンバイ復帰時はファンが低速でスタートするようなのですが、ファンの回転の立ち上がりが遅すぎて、マザボがファンなしと判断してしまうようです。しかも、警告なしにマザボがファンへの電源供給を断ってしまうのです。ちなみにマザボはMSIの915G-COMBOです。何を考えているんだこのマザボ…。まぁ、相性問題と言わればそこまでなんですが、ファンの電源供給を断つのはどうかと。ビープぐらい鳴らしてくれよ…。

ファンのほうもまた変で、PWM入力のデューティーを100%にすると回転数が最低値に下がってしまうようです。従って、マザボ側でPWMをdisableにすると、回転数が下がってしまうことになります。つまりスタンバイ復帰のときと同じく、電源投入時にマザボがファンの電源供給を遮断してしまいます。電源投入時だけは警告してくれるのですが、どうしようもない…。
なお、マザボ側でPWMをオンにしても、電源投入時の一瞬はデューティー100%でスタートするので、ファンの加速が少し鈍くてヒヤヒヤものです。
ちなみに、外部から強制的にデューティー0とすると、中途半端に1300rpmぐらいで回転します。ここだけフェイルセーフを考えたのか?

マザボのMSIとファン販売元のサイズ、どちらに文句を言えばいいのだろう…どちらもおかしいと思うんだけど。
ファンに異常が生じた場合にその電源を遮断するのは、ファンが引っかかったときにモーターや駆動回路を過負荷から保護する意味があるかも知れません。しかし、それによってクーラーが完全に止まり、CPUが過熱したらもっと大きな損害のはずです。クーラーが過負荷状態でも、多少回っていれば、時間稼ぎになります。それに、システムの電源を落とすほうが賢明だと思います。どうも、設計思想に問題がある気がしてなりませんが、言ってもどうにもならないだろうな…。古い製品だし。
ファンのほうは、デューティー100%で回転数が下がるのは、明らかな設計ミスか故障です。故障だったら良いんですが、設計ミスだったらどうなるんだか…。故障の線は薄い気がするなぁ…。直流結合であるはずの部分が交流結合になるような故障があったらそれなんでしょうが、そんなのあるのかな…。
とりあえず明日サイズに電話しよう。


もし対応してくれないなら、ファンの回転数をごまかすか、ファンを常にフル回転させるためのPWM信号を作る回路を挟むか、ケースファンと交換するか…

霧の境界


海から生じた霧が街を飲み込む瞬間を見かけました。携帯での撮影でよく写っていませんが、霧とそうでないところの境界がはっきり見えていました。右側の緑色のビル(工事用のシートがかかっている)のところが境界です。
上から見たら雲海のように見えたかも?

このあと、霧の中に突入してみましたが、自転車の移動速度でも温度や湿度が急に変わったと感じられるほど境界がはっきりしていました。視界はどれぐらいと言えばいいのか微妙でしたが、500m先ぐらいになると全く見えませんでした。

ちゃんとしたカメラを持っていなかったのが残念…


それにしても、このあたりは天気が変わりやすいのでしょうか…天気予報も真逆だったりするし。

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電子工作、鉄道、温泉と旅行、送電線見物などが趣味の学生です。論文以外の文章力はないので冗長な文になるかもしれませんが、生暖かく見てやってください。詳細
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