界磁添加励磁制御 - 暇つぶしWikipedia

界磁添加励磁制御

界磁添加励磁制御（かいじてんかれいじせいぎょ）とは、直巻整流子電動機を使用しながら、界磁制御用電源を別に設けて界磁電流制御による回生ブレーキを行う鉄道車両の速度制御方式である。
概要
 背景位相制御とチョッパ制御

位相制御 - 交流の電圧を制御する方法の一つ。サイリスタなどスイッチング作用のある半導体素子により電流を流す時間を変えて交流波形の一部を取り出し、平均電圧を制御する（左図）。

チョッパ制御 - 位相制御の考え方を直流に適用したもので、電流を流す時間を変えて電圧を制御する（右）。パワーエレクトロニクスが発展途上の時代は、位相制御に比べ回路が複雑で高価であった。
位相制御とチョッパ制御。

日本国有鉄道（国鉄）は1970年代のオイルショックに端を発して、省エネルギー電車の開発を進めていた。旧来の抵抗制御による電車は、加速時にモーターの電圧を制御するにあたって、抵抗器で電力の一部が熱損失となり、ブレーキをかける際も運動エネルギーを熱として捨てるものであった。国鉄はこれを改善すべく、1979年に電機子チョッパ制御による201系通勤形電車を登場させ、連続電圧制御による熱損失の解消と、ブレーキ時の運動エネルギーを電力に変換して架線に返す回生ブレーキを実用化した。しかしながら、この当時はパワーエレクトロニクスが発展途上にあり、省エネルギー効果こそ有していたものの、制御回路が高価で旧来の抵抗制御方式に取って代わるまでには至らなかった。

一方、この頃の民鉄では、高価な電機子チョッパ制御に代わり、界磁位相制御や界磁チョッパ制御が開発されていた。基本構造は起動については旧来の抵抗制御を用い、扱う電流が小さいがゆえ安価な界磁調整器を用いて回生ブレーキを可能としたものである。すなわちモーターの電圧制御は旧来のままとして高コスト化を避け、比較的安価な界磁調整器によって得られる回生ブレーキによる省エネルギー効果に絞った方式であった。起動抵抗損は走行エネルギー全体より1桁少ないので、走行エネルギー回収率を向上させることで起動抵抗損分を埋められるのでコストパフォーマンスに優れ、民鉄では広く普及した。その一方で、この方式は電気鉄道に必要な駆動特性と界磁調整とを両立させるため複巻電動機を必要とした。複巻電動機は旧来の直巻電動機に比べ構造が複雑で、その分巻界磁利用時には負荷や電圧の変動に弱く、保守も手間がかかることが課題であった。

民鉄に比べて桁違いの大量導入かつ、広範な標準化を前提とせねばならない国鉄においては、コスト、保守、安定動作のいずれにも制約を伴う複巻電動機の採用は、それに伴うメリットと比較しても政策的に躊躇されるものであった [注 1]。しかし、この回生制動の有効性重視の考え方こそ本稿「界磁添加制御」の基本であり、後日、直巻モータの界磁巻線を別電源で励磁して分巻特性を得て回生制動制御を行う方式として完成され、それは電圧・負荷変動の応答性にも優れた方式だった。
特徴

これらを背景として、1980年代に国鉄と東洋電機製造により共同開発したのが界磁添加励磁制御である [1]。特徴を以下に示す。

電圧制御は旧来の抵抗制御、直並列組合せ制御を基本とした。

主電動機には従来同様、構造が単純で堅牢な直巻電動機を用いた。

界磁の制御に新たな技術を導入して、低コストで電力回生ブレーキを可能とした。

界磁チョッパ制御と同様のコストパフォーマンスを狙いつつ、かつ構造が単純で堅牢な直巻電動機の使用を可能とした点が本方式の利点である。当時の次世代近郊形車両（国鉄211系電車）向けとして開発されたが、開発タイミングから先行して通勤形の205系に初めて採用された。以来、国鉄末期からJR初期にかけて新製電車に用いられたほか、民鉄でも一部採用された。原設計は共同開発を行った東洋電機製造が担当した。

直流モーターを用いた省エネ電車の制御方式制御方式電機子チョッパ制御界磁チョッパ制御界磁位相制御界磁添加励磁制御
電動機直巻電動機複巻電動機直巻電動機
電圧制御チョッパ制御抵抗制御・直並列組合せ制御
界磁制御
回生ブレーキ弱め界磁制御
電機子チョッパ分巻界磁の
チョッパ制御分巻界磁の
位相制御界磁の位相制御

 実用化試験

本方式の性能を確認するため国鉄吹田工場において、廃車を控えた101系に本制御装置一式とDM106形ブラシレス電動発電機を床上に艤装した [2][3]ほか、113系と同じ主電動機と駆動装置（歯車比は82：17 = 4.82）に交換した [3][4]。1984年（昭和59年）3月に東海道本線大阪 - 野洲間で3日間にわたって走行試験が実施された [2][3][4]。3月24日は、山陽本線を含めた当時の快速ダイヤに乗れるかの運転試験である [4]。試験区間は以下のとおり [4]。

3月21 - 23日：大阪 - 野洲間1往復（走行試験）

3月24日：大阪 - 東加古川 - （大阪） - 草津 - 大阪（運転試験）

クモハ101-179 + モハ100-228 + モハ100-79 + クモハ100-85 [2]（太字の2両が艤装した試験車、細字の2両はT車扱い）

この実用化試験のために製作された機器は以下のとおりである [5]。主電動機はMT54D形が使用された [5]。

CS922形主制御器

HS925形励磁装置（界磁制御装置・東洋電機製造が製作）

MR928形主抵抗器

IC932形誘導分流器（東洋電機製造が製作）

従来のCB12、CB13形断流器を改造（東洋電機製造が製作）

この節の加筆が望まれています。

力行時は、誘導分路にある界磁接触器はオフの状態であり、電動機を流れる主回路電流はバイパスダイオードを介して抵抗器に流れることで抵抗制御および直並列制御で加速する。

その後、誘導分路にある界磁接触器がオンの状態となり、誘導コイルを接続して、外部三相交流（電動発電機や静止形電源装置）を電源とした添加励磁制御による位相制御で整流・制御された直流電圧による電流により、誘導分路に流れる主回路電流とは逆向きの電流を流して、電動機の界磁の弱め界磁を行い、それにより電動機の電機子での逆起電力の大きさを変えて速度制御を行う。

減速時は、誘導分路にある界磁接触器がオンの状態となり、添加励磁制御で整流・制御された直流電圧による逆向きの電流が誘導分路と電動機の界磁を介して流れ、それにより電動機の電機子での逆起電力の大きさを変えて回生ブレーキを行う。

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