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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