電気工学のおべんきょう（？）その２ 直流直巻電動機編 その１

　しかし、何ですか！突然yahooブログイのサービス停止宣言って！ふっざけやがって！この先どこに乗り換えるか、セガレと相談してお知らせすることにいたします。

 

　さて、本題に入りましょう。

 

「ダメですよ！五十鈴サン、Ｓ２まで巻き込んじゃぁ！」

 

と、会社で“営業のＹ君”に怒られました。しかしイジる相手が居ないともう原稿を書く気力も起きてこない惨状（←　さっさと潰れてまえ、このボロブログがぁ！、と更に怒られそう……）なんで、何卒ご容赦頂くといたしましょう。

 

　これまでに、極めてベーシックな直流直巻電動機を使った抵抗・直並列・弱め界磁制御（以下単に「抵抗制御」とします。）については、中学校の頃に読んだ「鉄道ジャーナル」の、たしか「電気機関車を運転する」という記事でこの程度のレベルの理解はなんとなく出来ておりました。

 

・まず、最初からモーターに大きな電流を流したら巻線を焼いてしまうの

　で、モーターを直列に、抵抗器も直列に接続して低電圧・小電流で起動す

　る。

・回転が始まるとモーターに流れる電流が減ってくるので、機関士は電流計

　の針の動きを見ながらノッチを進め徐々に抵抗を抜いて電圧を上げ、電流

　を増やしていく。

・抵抗を全部抜いたら（最終段まで進んだら）これ以上電圧を上げられない

　ので、モーターを直並列（４コ以上モーターを持っている場合ですが）に

　接続し直して、回路全体に流れる電圧を上げ、また電流を増やす。

・直並列で最終段まで進んだら、モーターを全部並列に接続して、同じよう

　に抵抗器を抜きながら回路全体に流れる電圧を上げ、また電流を増やす。

・並列の最終段まで進んだら、モーターの磁界巻線の一部をショートさせて

　さらに回路全体に流れる電圧を上げ、また電流を増やす。

 

　この記事を読んだ後、例えば小田急の電車など、運転席に電流計がある電車で電流計の動きを見ていると、起動時にポンと跳ね上がった電流計の針が次第に下がって来て、また跳ね上がって、下がって、を繰り返していくのが解りました。小田急の場合、「フルステップ」というランプがあって、直列・直並列・並列・弱め界磁の最終段に入ったことを示している、とは運転士さんから聞きました。あと「弱界磁」のランプもあったかな？このことがもっとはっきり解ったのは名古屋時代、名鉄の3700系をはじめとした、いわゆる「ＨＬ車」に乗った時で、運転士さんは電流計の針の動きを見ながらノッチを進めていました。

 

　サイリスタ制御についても、「鉄道ジャーナル」の記事で、Ｎ型、Ｐ型の半導体を４つつないでおいて、そのうちの１つを抜き差しすることで回路に流れる平均的な電圧を制御する、という程度は知っておりました。多分旧営団6000系あたりの話、電機子チョッパ制御の事だったろうかと推測します。

 

　ただ、これはあくまで「力行時」、つまり電車が発車して加速していく段階の事で、停車する時の電気ブレーキ（以下“電制”と言います）については、単純に、

 

・モーターに外部から力を与えて回転させてやると発電機になる。

・そこで生まれた電気を抵抗器に通して熱にして飛ばしてしまうのが通常の

　電制（発電ブレーキ）。

・架線に返してやるのは別途「電力回生ブレーキ」と呼ぶ。

 

程度で、特に発電ブレーキでも「抑速ブレーキ」と呼ばれる、長い区間の勾配を一定の速度で下っていくための仕掛けがあることは知っていましたが、理論は判っておりませんでした。

 

　話が散らかるといけないので、まずは抵抗制御の力行時の話から進めようと思います。なお、ウイキペディアに「電気車の速度制御」というページがありまして、大変判りやすく書いてあります。このページも併せてお読みください。

 

　発車の時に起動させたモーターが、なぜ流れる電流が次第に減ってくるのかと言いますと、「モーターに外部から力を与えて回転させてやると発電機になる」という現象が、電源を与えられて回転しているモーターにも生じている、という事によります。これが「逆起電力」でして、まさに仕事のジャマをする「裏切り行為」に近い代物であります。このため、走行抵抗に打ち勝つだけのトルクを得て加速していくためには、電流を増やすために抵抗を抜き、あるいはモーターを直列から直並列、並列、とつなぎ替えていかなければならず、そのためには電圧も上げていかなければならない、とまあ、こう理解しておけばよろしいようです。

 

　さて、いよいよモーターは全部並列に繋いだ、抵抗も全部抜いた、さらに電流を上げてトルクを得て加速して行かなければならないというときに使うのが「弱め界磁制御」で、直流直巻モーターの界磁コイル（つまり回転しない方）の一部にバイパス回路を設けて、界磁電流を逃がし、界磁力を「弱めて」やるのです。本来、界磁力が大きくなればトルクも大きくなるはずが、例の「逆起電力」のせいで、発電機としての働きも強くなっていくので、ちょっと見には逆のようですが、磁界を「弱める」事で発電機としての機能を抑え、モーターの巻線に流れる電流を増やしてやろうというのがこの方式です。

 

　国鉄の201系、営団6000系などの「電機子チョッパ制御」は、抵抗器の代わりにサイリスタを使い、抵抗による熱損失（電気エネルギーの損失）無しで電流・電圧を制御する方法でして、「スイッチング機能」と呼ばれる、高速で「ON・OFF」の出来る装置に電流を流し、ONとOFFの時間の比率を変えてやる、あるいはON時間を一定にして周波数（周期）を変えてやるなどの方法があります。

 

　ここまでが「力行時」つまり発車してから必要な速度まで加速していく段階での話です。一方「制動時」つまり停まるための段階、これは話が長くなるんで、次回にまわすとして、ここでチト笑い話をば…………

 

　直流直巻電動機の回転方向は電源の極性（＋と−）を変えても回転子の磁束、界磁の磁束ともに逆になってしまうので回転方向が変えられない、と知りました。回転方向を変えるには図のような「Ｈスイッチ」と呼ばれる回路を作っておけば良い、とのことでしたがどう見ても電源の極性を変えたのと同じにしか見えません。Yahoo知恵袋にまで投稿してみたのですが決め手は無く、結局先日借りてきた本を見て、ようやく理解した次第。

(「モータのキホン」より引用）

（「これだけ！モータ」より引用）

　結局整流子の所に流れる電流の極性が変わらないといけませんから、「Ｈスイッチ」だけでどうして逆転するのか、未だ理解できず。何せこの程度だからナ〜。これから先、「自家中毒」で死んじまわないだろうなぁ……

　もうひとつ、この「おべんきょう」の途中で「整流子を持つ直流直巻電動機は単相交流を与えても回転する」と知って驚きました。旧国鉄が昭和２７年から仙山線で始めた交流電化の実験では、交流電源（単相50Hz、20,000V）を貰い直接交流モーターを回す「直接式」のED44型（後のED90型）と、整流器を使って交流を直流に直し直流モーターを回す「間接式」のED45型（後のED91型）が作られたわけですが、よもや、と思ってウィキで「ED44型」を検索しましたところ、モーターは「直巻整流子電動機」とありました。基本的な構造は直流直巻型と同じなんですね。ただ、交流電源の場合は、直流モーターの「逆起電力」ならぬ「変圧器起電力」なるものが生じ、これが磁界の磁力を打ち消す働きをするため、直巻モーターながら、直流用の４倍程度にあたる１４〜１６極の磁極を持たせていたこと、「大電流の開閉で接点の荒れが著しく」と何かに書いてあった記憶がありますが、20,000Vという高圧の電気をこれまで使った経験が無く、1運用毎に各ブラシの接点を研磨しなければならないなど、整備の手間がどうにもならないほど掛かって、結局整流器を使って直流モーターを回す「間接式」のED45が採用となった歴史があります。

　確かに、交流電源では、変圧器で簡単に電圧が制御でき、ED44も「低圧タップ制御」という、変圧器の低圧側にいくつもタップを設け、これで電圧制御をしていたようなのですが、

　電力　＝　電圧　×　電流

で、電圧を下げれば電流が大きくなる理屈。抵抗器が無くても制御出来たのか、別の方法があったのか、理解できておりません。

ダメだわ、この程度では…………