高崎線userのRailLIFE

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…………

しゃしん の おけいこ その５６

　去る2/9、岡山機関区のA26運用、幡生から倉賀野までやってくる、高崎線内では唯一の「岡モモ」運用に、「モモトップ」のEF210-1が入っているという情報を得ました。ところがこの1066ﾚ、山陽線内で何かあったのか、1時間半程度遅れて由比を通過との情報。お天気は好天で昼近くの下り列車は「ガングロ」になるし、どこで上り列車にカブられるか判ったものではないので、日和って撮影取りやめ。

　その後、某サイトでは、戻りの3096ﾚは2/10「運休」。もともと日曜日は運休の列車なので、ならば月曜日の今日はどうか？車扱い貨物は日曜日でも動くくらいですから、あのコンテナ列車も動くんではないか？天気は曇りがちだし、倉賀野まで行けば停車中の列車が撮れるし…………との計算。ただ、気象庁の「アメダス」では、前橋あたりは日照時間が1（100%)、これもマズいんだよな〜、倉賀野まで行って「ガングロ」ではナ〜、雲がかかってくれることを期待しながら雪でも降ってきそうな北上尾を出ました。

　さて、倉賀野に着いてみると、シメシメ、４両と短いけどコキが停まって居るではないですか。やったね！

　操車係さんが出てきたから、もうすぐ機関車が来るゾ！

　え？！PF？

　尾灯を片方点灯して入換モード。

　転線してきて……

　操車係さんに聞いたら、これ、間違いなく3096ﾚ。こりゃ無いぜ！モモトップ、どこ行っちまったんだよ〜！！！\3,000.-近く金掛けて倉賀野まで行って、これかよ！

　Ｔ君よ、こういうのを「大ハズレ」と言うのだよ！

電気工学のおべんきょう（？） その１

　鉄道図鑑も「電車編」に突入するとなりますと、世のフツーの人であれば「乗ったら時間通りに走ってくれれば何の文句も無い」電車（このブログでは、話の都合上電気機関車も出てきますが）ですが、何せ今の首都圏、直流電源を貰っていながら直流モーターで走っている車の方が少数派でして、どうしても「毒」の毒たるゆえんとして、電車の制御方式の変遷に言及せざるを得ません。直流モーターによるごく基本的な抵抗制御（直並列制御とも組み合わせ）とかチョッパ制御のサワリ程度は中学時代に読んだ「鉄道ジャーナル」で知ってはいたものの、どなたが読まれるか解らんこのブログ、少々おさらいをしておこうか、と、安直に「ウイキペディア」を覗いて見ましたところ、

　「印加電圧」？？

　「逆起電力」？？

　「回転磁界」？？

と？？の連続、これでは「毒」の効き目を上げるどころか自分で自分の毒に中ってしまうことになりかねない情けない状態。大学では教養部時代に電気工学の講座も取ってはおりましたが、何せ４０年も前の話。教科書なんかとっくの昔に捨ててしまっているし、いきなり電気工学の本読んでも、どうせ着いて行けないのは見えた話ですので、図書館からこんな本を借りてきて、ようやく幾分は理解が深まりました。

　ところが、読んでいくうちにまた解らない所が出てきて、更にこんな本も借りたのですが、もうサイリスタチョッパ制御が出だしたあたりから、回路図なんか見たって全く理解できないではありませんか。ましてや最近の主流であるVVVFインバータ制御方法など言うだけ野暮。

　実は、ここで面白い出会いがありました。「営業のＹ君」の配下に、第二種電気工事士の資格を持っている好青年がおります。イニシャルが”Ｓ”で、宇都宮のＳ君とカブるので”Ｓ２君”としておきましょう。この事を聞きつけたので、

　「おい、Ｓ２、チト、教えろ！」

と相談を持ちかけましたところ、

　「え？！そんなもン、とっくに忘れました。フレミングの右手と左手、ですか？」

　「おお、左手がモーターで、右手が発電機らしいんだが、実際のモーターが電源貰って回っているときに発電機の動きの動きもするもんで、これが”逆起電力”とか言うらしくてナ……」

　「オレ、もう五十鈴さんの毒に中ってますよ！」

ということで、また「犠牲者」が増えそうですワ…………

　寒すぎて図鑑用の写真撮りに出かける気にもならんので、これから何回かに分けて「おべんきょう」の成果でも披露させて頂きたいと思います。あ、間違った事書いていたら遠慮無くツッコミ入れてください。多分何も答えられないだろうけど。（笑）

しゃしん の おけいこ その５５

　連日のキンタトップ狙い。今日はチト趣向を変えて、北上尾のホームでなく線路沿いの道路から順光で狙いました。狙いましたが……

昨日からこれはどうかと思っていた光線状態、どうもガングロになりそうな雰囲気が濃厚。マズいな〜。

　安中の２本前、桶川で安中に抜かれる8883ﾚ、運試しに撮ってみましたが……

　あいや〜！でも、もう仕方が無いと覚悟を決めて…………

　とにかく、この車とは相性が悪い。困ったもんですな。明日の大館貨物に入るのが判っているだけにうらめしい…………

しゃしん の おけいこ その５４

　先週金曜日（18日）、桶川の中線で待避する6098ﾚ、大館貨物A131運用にキンタトップが入るのが判っていながら、まさか会社を休むわけにも行かず、こんちくしょうと思っていたら、また昨日のA129運用にキンタトップ、というではありませんか！つ〜ことは、今日、つまり1/26、1/27の安中はこれが牽くという事。安中行きの5097ﾚは、自宅近くで撮ろうとすると光線が悪く、また線路端に高いマンションなども増えて建物の蔭ができてしまい、北上尾のホームから撮るのが一番良いか、あるいは駅北側の道の東線路際から撮るのが良いかという所。さてどうすんべえ……と金曜日から考えておりました。

　で、今日、某サイトを見たら、EH200のA221運用、倉賀野発の4074ﾚですが、もしかしたらこちらもブルサントップか？という感じだったので、自転車で桶川駅へ。この列車はバッチリ順光で撮れます。

　さて、駅へ着いて入場券を買う段になって気がついたのが、「メガネ、忘れて来た！」最近老眼の進行著しく、メガネがないと何も出来ないに近い状態。スマホは持ってきていましたが、果たしてブルサントップかどうかも判らず、えい、ままよとホームへ。結果的には16号機で「ハズレ」！

　名古屋のＮ店長あたりにボヤいたら、多分、

　「ＪＲさんは忙しいんやでぇ！五十鈴の都合なんか考えてくれへんのや！」

とでも言うか？

　一方、本命のキンタトップ、勘違いして家を出遅れ、一番近い線路際の某神社の所へ。もう列車全体は諦め、機関車主体の構図に。

　ISO 1600まで感度を上げているので、粒子が粗いですが、この列車、速度が速いのでシャッタースピードは 1/800(s)は確保したいので、やむを得ないですな。

　さて、明日の安中もキンタトップ、さて、どうしますか？やっぱし北上尾のホームにすっかなあ…………