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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。

後悔先にたたず(更新)

(11/2/15公開、11/5/1更新)
熊本市飛田にある「HIヒロセ」に隣接して、とあるカフェがありました。
ごっついバイクに乗ったバイカーたちが集まるようなごつい店でした。

そのカフェには古着や雑貨を売るコーナーがあったのですが、その店舗として使われていたのは…

熊本電鉄モハ302の廃車体

でした。
モハ302は1985年あたりまで走っていた車両で、元は1926年に製造され、小田急で走っていた車両でした。

このカフェがあった当時は私はまだ鉄に目覚めておらず、しかもまだ子供で、単なるごつくて近付き難いカフェというイメージしかありませんでした。一度だけ店内(モハ302ではなく隣の建物)に入りましたが、怖くて逃げてきた思い出があります(^_^;)
その後、いつの間にかモハ302は消えてしまいました。

が…今度は麻生田のパチンコ屋の一角に移され、カレーがお勧めのカフェとして再開されました。店舗名は変わらなかったようですが、こんどはごつい雰囲気ではなく、レトロ感を出したような内装だったらしいです。しかし、あいにくこのときも鉄に目覚めておらず、しかも何故か(付近を何度か通ったはずなのに)モハ302の存在には気が付きませんでした。

そして少し時間が経って、モハ302はなんと3度目の移動、現在は益城熊本空港IC付近に保存されているそうです。この保存場所の地図には、カフェの店舗名だけは残っているものの、どうやらもう営業していないらしいです。

一度行ってみたかった…中に入ってみたかったなぁ…

なお、現在は営業しておらず、個人所有かつ保存場所も私有地であることから、詳しい話は控えさせていただきます。




追記
本当に後悔
先日、帰省中に偶然付近を通りかかったのですが、モハ302は見当たりませんでした。
某公認ファンサイト掲示板によると、2週間ほど前に撤去されたそうです(ToT)

抵抗チョッパ制御

電車のモーターの制御方法には、抵抗制御、チョッパ制御、VVVF制御など、色々な方法がありますが、いくつか変わった方法もあります。その一つに抵抗チョッパ制御というのがあります。

抵抗チョッパは、基本的には抵抗制御ですが、抵抗器の切り替え後にチョッパ制御を行って、切り替えのショックを和らげたり、抵抗制御の段数が少なくても、チョッパ制御の追加によって滑らかに制御する方法です。大雑把な制御を抵抗器の切り替えで行い、細かい制御をチョッパ制御で行うもので、抵抗制御にチョッパによるバーニア制御を追加したものと言えます。

構造は、抵抗器の一部にスイッチング素子が並列接続してあります。遮断器などを除いて簡単に図示すると以下のようになります。

◇←パンタグラフ
└┬[R1]┬┬[R2]┬┬[R3]┬┬[R4]┐
 └┤├┘└┤├┘└┤├┘└[T1]┤
  L1   L2   L3     │
                (M)
                │
                ○○レール
               ̄ ̄ ̄ ̄ ̄
R1~4は抵抗器、L1~3は抵抗制御を行う機械的スイッチ、T1は半導体スイッチング素子、Mはモーター

L1~3のオフオフでモーター出力を大ざっぱに調整し、T1を高速でオンオフし、オン時間とオフ時間を調整することで、平均のモーター出力を微調整します。
主回路の全電圧をスイッチング素子が負担するわけではないので、電機子チョッパやVVVF制御に比べ、スイッチング素子の耐圧が低くてすみます。上の図では、理論上、架線電圧の1/4程度の耐圧ですみます(※)。これは電力用半導体素子の耐圧が低かった時代には非常に意味のあることでしたが、モーターが閃絡した場合はスイッチング素子に過大な電圧がかかる恐れがありますし、そもそも急速に半導体の耐圧が向上したので普及しませんでした。
新幹線951形試作車に試用されたらしいです。もう1形式ぐらい試用されたものがあった気がするが、失念。また、力行はチョッパ制御(位相制御)で、発電ブレーキは抵抗チョッパ制御というのもありますが、これはあまり抵抗チョッパ制御とは呼びません。

(※)L1~3が全てオンでも、T1が負担する電圧は(架線電圧)-(モーター端子電圧)となります。十分に加速していないのにいきなりL1~3がオンになるとか、モーターが閃絡(短絡)するということがなく、きちんと制御されていれば、T1に加わる電圧が架線電圧の1/4を大きく越えることは理論上ありません。しかし、モーターが閃絡したら架線電圧が直でかかる恐れがあります。結局は半導体の耐圧の向上が必要なのですが、耐圧が向上すれば、電機子チョッパなどのほうが機械的スイッチを減らせるし回生ブレーキもできて好都合ということで、普及しなかったのでしょう。

ガンバレ東北 まけるな

通常の輸送経路が切断された盛岡へ向けて、臨時の石油貨物列車が迂回して運転されています。
その貨物列車の最後尾のタンク車に
「ガンバレ東北」
「まけるな」
と手書きで落書きがされていたそうです。汚れを拭うことによって書いてあるようです。
JR貨物かどこかの職員さんでしょうか。
粋だなぁ…。

鉄道ホビダスの今日の一枚の3月23日分にも写真が出ています。
今日の一枚

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