概要
電気モーターによる車両の駆動を行う際に、そのまま電源とつないでしまうとモーターの回転速度と流れる電流が反比例する性質により過電流が流れ、電気系統やモーターそのものが過熱やそれに伴う火災を起こし、またモーターの特性上強烈な駆動力がいきなりかかるため車輪の空転、ひいては駆動系の破損や破壊を起こすため起動時に電流を制限する必要がある。それを抵抗器で行う制御方式。
大まかな構造
電源とモーターの間に電源断続用の開閉器(スイッチ)と何らかの手段により電気抵抗が変えられる抵抗器を直列につないだもの。
抵抗器
ラジコンなどでは電力制御専用に作られた可変抵抗器を使うことがあるが、可変抵抗器そのものは許容電力の割に体積が大きく、大きな車両の制御ともなると搭載可能な可変抵抗器自体が存在しないため、抵抗器と短絡用の開閉器を並列につないだものをいくつも直列につなぎ電気抵抗を複数段階に変えられるようにした抵抗器を搭載する。
制御
抵抗器の電気抵抗を最大にした状態で断続機により回路をつなぎ、その後抵抗器の電気抵抗を徐々に低くしていく。目的の回転速度近辺で回路の切り離し／接続・再加速により目的の回転速度を維持する。
特徴
利点
- 構造が簡単
- 制御装置が安価にできる
欠点
- 制限した電力は熱として逃げてしまうため、電力使用効率がよくない
- 抵抗器が熱を持つため運転に制限を受ける(途中段階の維持ができない)
- 抵抗の切り替えに段階があるため加速時のトルク変動が発生する
- 回生ブレーキが使用できない
欠点の克服方法
モーター接続切り替え
電車や電気機関車のように複数の駆動用モーターを装備している車両では、抵抗器による制御に加え、モーターの直列並列繋ぎを組み合わせて抵抗器による損失を減らす。また、大まかな段階にはなるものの途中段階での回転速度維持も可能になる。
副抵抗器の採用
主抵抗器に加え副抵抗器を搭載し、主抵抗器を切り替えるときに副抵抗器による微調整を行う。こうすることにより実質的に非常に段数の多い制御となり、トルク変動は非常に小さくなる。副抵抗器を用いた方法をバーニヤ抵抗制御や超多段抵抗制御という。(「バーニヤ」とは副尺を意味する言葉)
車輪とレールの粘着力ギリギリまでトルクを引き出す必要のある電気機関車や高加速型の通勤電車に採用されていた。
一部の開閉器の半導体化
抵抗チョッパ制御とよばれ、主抵抗器の各抵抗器の開閉器のうち一つを半導体を使ったスイッチング素子に置き換えたもの。開閉器の動作によるトルク変動を半導体素子によるスイッチング制御で抑えるもの。要はバーニヤ抵抗制御の副抵抗器と同じことをスイッチング素子で行おうというもの。理論上はスイッチング素子の耐圧が架線電圧より低くても採用可能であるのだが、実際の運転ではそうともいかず、かといってスイッチング素子の耐圧を上げると抵抗制御に組み込む意味がないため、採用例が皆無に近い。
ちなみに、発電ブレーキをかける際に抵抗器へ流す電流を半導体でスイッチング制御するものは抵抗チョッパとは呼ばれないようである。
基本形から発展した制御
モーターの固定子(界磁)に電磁石を使っているものでは以下のような発展形の制御がある。下記の界磁チョッパ制御以外では直巻整流子モーターが使用されているが、直巻整流子モーターの構造そのままでは固定子の電流制御ができないので、固定子へ流れる電流を分流(バイパス)する経路が造られており、そこから固定子へ流れる電流を制御する。
弱め界磁制御
固定子への電流を制限し、界磁を弱めて逆起電力を低くすることによりトルクの低下と引き換えに回転数を更にあげることができる。(ただし、界磁を弱めすぎると界磁が乱れて整流不良を起こすため限度がある)
また、起動時の衝撃を緩和するために固定子の磁力を弱めて起動することを弱め界磁起動という。
界磁添加励磁制御
モーターの固定子の電圧を補助電源から制御することにより、上記の弱め界磁制御に加えて界磁を強めて逆起電力を大きくし、電源に戻すことによる回生制動が行える。
界磁チョッパ制御
モーターの固定子に直巻コイルと並列に接続された分巻コイルが巻かれた複巻整流子モーターを使用し、分巻コイルへ流れる電流を半導体によるスイッチング制御で制御することにより磁力の足し合わせによる界磁制御を行う。界磁添加励磁制御同様、弱め界磁や回生制動が可能となる。また、電機子チョッパ制御に比べ電力制御用半導体も小さいもので済む。
では実際に動かしてみよう。
起動(0〜25km/h) <<定トルク領域>>
モーター4個のつなぎ方は2個直列×2列(1個当たり750ボルト)、直列抵抗は16Ωの設定でスタートする。
速度が上がると、それに比例してモーター逆起電力Vが働き、電流Iがどんどん落ちていく。それを打ち消すため、抵抗値Rを15Ω→14Ω…3Ω→2Ω→1Ωと少しずつ制御してモーターに掛かる電圧Vmが一定になるよう制御して加速を続けよう。Vm=(1500-RI-2V)/2。
直並列切り替え(25～50km/h) <<定トルク領域>>
ついにモーターの逆起電力Vが750ボルトに近づき、抵抗値の設定を0Ωにしても一定の電流が流せなくなってしまった。
だがここで慌てずにモーター4個を全部並列に切り替えよう。これでモーター1個当たり1500ボルトが掛かり、また電流が流せるようになった。先ほどと同じ要領でまた抵抗値を制御し、電流Iとモーター電圧Vmを一定に保ちながら加速を続けよう。Vm=1500-RI-V。
モーターの逆起電力Vが1500ボルトに近づき、これ以上電流が一定にできなくなったら次の手に移ろう。
弱め界磁(50～80km/h) <<定出力領域>>
一部のレーサー仕様車では、ここでターボが発動する。モーターの界磁を少し弱めてやることで、逆起電力Vも少し下がる→Vμ。副作用としてトルクも落ちてしまうが、また電流が流せるようになったため、もう少し加速を続けることができる。界磁率の限界（1/3ぐらい)まで界磁を落として粘ろう。Vm=1500-RI-Vμ。
そしてあとはモーター次第(80～km/h) <<特性領域>>
全ての制御をやりつくしたので、あとはモーターの根性だけで引っ張り続けよう。電流を一定にするのはもう無理で、モーター電源電圧Vm=(1500-Vμ)に比例して電流が下がっていくので、加速力はその二乗に比例して急激に衰えていく。逆起電力Vμが1500ボルトに到達したところで今度こそ加速は終了だ。
減速時の回生について。
界磁チョッパ制御や界磁添加励磁制御では、界磁の滑らか制御が可能なので、Vμを1700～1800ボルト程度に維持することで電力回生が可能。素の抵抗制御には界磁の制御機構自体が無かったり、あったとしても界磁率が不連続な階段状なので行えない。
余談
半導体素子が発明される以前でも磁気増幅器といった電力制御の可能なものがあったため、界磁添加励磁制御や界磁チョッパ制御の先祖といえるかたちの制御方法を用いて回生ブレーキを実現している抵抗制御車がいくつかあった。(国鉄EF16形、国鉄ED42形、名鉄3400系など)
