電気でんき車しゃの速度そくど制御せいぎょ

電気でんき車しゃの速度そくど制御せいぎょ（でんきしゃのそくどせいぎょ）は、電気でんき機関きかん車しゃや電車でんしゃなど電気でんきを動力どうりょくとする鉄道てつどう車両しゃりょう（電気でんき車しゃ）を対象たいしょうとした速度そくどの制御せいぎょ方法ほうほうである。本ほん項こうでは電気でんき車しゃに用もちいられる電動でんどう機きの特性とくせい、および起動きどう時じや加速かそく時じの出力しゅつりょく制御せいぎょについて、定ていトルク制御せいぎょ域いき、定てい出力しゅつりょく制御せいぎょ域いき、特性とくせい領域りょういきと呼よばれる速度そくど領域りょういきに分わけて解説かいせつする。

概要がいよう[編集へんしゅう]

基本きほん用語ようご

電気でんき車しゃ - 電車でんしゃや電気でんき機関きかん車しゃなど電気でんきを動力どうりょくとして走行そうこうする車両しゃりょう。
力行りっこう（りっこう） - 車両しゃりょうが駆動くどう力りょくを発はっして走行そうこうする状態じょうたい。
惰行（だこう） - 車両しゃりょうが惰性だせいで走行そうこうする状態じょうたい。
主しゅ電動でんどう機き - いわゆる電気でんきモーター。電力でんりょくを回転かいてん運動うんどうに変換へんかんする原動機げんどうき。電動でんどう空気くうき圧縮あっしゅく機き、電動でんどう発電はつでん機き、電動でんどう送風そうふう機きなどの補ほ機き用よう電動でんどう機きとの区別くべつのため、特とくに動力どうりょく車しゃの走行そうこう用よう電動でんどう機きを「主しゅ電動でんどう機き」と呼よぶ。
トルク - 回転かいてん力りょくとも。回転かいてん運動うんどうにおける力ちからに相当そうとう。
回転かいてん数すう - 回転かいてん速度そくど。単位たんい時間じかんあたりの回転かいてん回数かいすう。乗のり物ものなど多おおくの機械きかい類るいでは、1分ふんあたりの回転かいてん速度そくどを表あらわす単位たんいとして「rpm」が用もちいられている。
出力しゅつりょく - パワー・馬力ばりきとも呼よばれる仕事率しごとりつ。力ちから×速度そくど、あるいはトルク×回転かいてん数すうで表あらわせる。

1879年ねん、シーメンス（ドイツ）が電車でんしゃの試験しけん運行うんこうを実施じっしして以来いらい、電気でんきを動力どうりょくとした鉄道てつどう（電気でんき鉄道てつどう）は発展はってんを続つづけ、現代げんだいでは鉄道てつどうの主しゅたる方式ほうしきとなっている。

国内外こくないがい問とわず一般いっぱん的てきな電気でんき車しゃの構成こうせいは下図したずのとおりである。パンタグラフ等とうの集しゅう電でん装置そうちによって外部がいぶより電力でんりょくを取とり入いれ、運転うんてん席せきからの指令しれいによって主しゅ制御せいぎょ器きが走行そうこうに適てきした電力でんりょくに変換へんかんし、台車だいしゃ、台たい枠わく、車体しゃたいのいずれかに装そう架かした主しゅ電動でんどう機きに電力でんりょくが送おくられ、トルクすなわち回転かいてん力りょくを発はっする。

電動でんどう機きから車輪しゃりんに伝達でんたつされたトルクは牽引けんいん力りょくとなり、走行そうこうにともなって発生はっせいする列車れっしゃ抵抗ていこうを差さし引ひくと、電気でんき車しゃの加速かそく力りょくが得えられる（右みぎ図ず）。

電気でんき車しゃにおいて特徴とくちょう的てきな部分ぶぶんは、レシプロエンジンやガスタービンエンジンを機械きかい的てきに駆動くどう力りょくとして利用りようする鉄道てつどう車両しゃりょうや自動車じどうしゃのように、複雑ふくざつな変速へんそく装置そうちと言いった機構きこうを必要ひつようとしないことである^{[註 1]}。すなわちギア比ひは固定こていであり、かつトルクコンバータやクラッチなどの機構きこうを有ゆうすることなく、起動きどうから高速こうそく走行そうこうまで対応たいおうしている。この実現じつげんのため、始動しどうトルクが大おおきい電動でんどう機きを採用さいようしたうえで、速度そくどに応おうじて電動でんどう機きを制御せいぎょする。起動きどう時じから低速ていそく域いきでは一定いっていの大おおきなトルクを発はっし、中ちゅう速そく域いきに達たっすると出力しゅつりょくを最大さいだいに保たもったまま加速かそくする制御せいぎょが用もちいられている。

以下いか、電気でんき車しゃの主しゅ電動でんどう機きに用もちいられる電動でんどう機きの特性とくせいについて述のべ、その代表だいひょう例れいとして直ちょく巻まき整流せいりゅう子こ電動でんどう機き、かご形がた三さん相そう誘導ゆうどう電動でんどう機きについて解説かいせつする。さらに、主しゅ電動でんどう機きの特性とくせいや電化でんか方式ほうしき、技術ぎじゅつの変遷へんせんによって分類ぶんるいされるさまざまな制御せいぎょ方式ほうしきを、従来じゅうらいの抵抗ていこう制御せいぎょ・弱よわめ界磁制御かいじせいぎょから最新さいしんのインバータ制御せいぎょに至いたるまでその機構きこうについて説明せつめいする。

電気でんき車しゃと電動でんどう機き[編集へんしゅう]

電気でんき車しゃに求もとめられる電動でんどう機き特性とくせい[編集へんしゅう]

鉄道てつどう車両しゃりょうは停止ていし状態じょうたいから高速こうそく域いきまで幅広はばひろい速度そくどで走行そうこうし、勾配こうばいや牽引けんいん重量じゅうりょうの変化へんかにより負荷ふかが変動へんどうすることから、電気でんき車しゃの動力どうりょく源げんとして電動でんどう機きには次つぎのような特性とくせいが求もとめられる。

起動きどう時じのトルクが大おおきいこと。
速度そくどの向上こうじょうとともにトルクが減少げんしょうしていくこと。
幅広はばひろい速度そくど域いきで性能せいのうを発揮はっきでき、速度そくどの制御せいぎょが容易よういであること。

産業さんぎょう用ようの電動でんどう機き、たとえば送風そうふう機きやポンプは起動きどう時じの負荷ふかが小ちいさく、速度そくどとともに負荷ふかが上昇じょうしょうするものが多おおい。しかし、鉄道てつどう車両しゃりょうは始動しどう時じに牽引けんいん重量じゅうりょうや出発しゅっぱつ抵抗ていこうといった大おおきな負荷ふかが作用さようするため、起動きどう時じに大おおきなトルクが必要ひつようである。

また、一般いっぱんの鉄道てつどうは、レールと車輪しゃりんに生しょうじる摩擦まさつによって駆動くどう力りょく（トルク）を伝達でんたつする。これを粘着ねんちゃくと呼よぶが、鉄てつ同士どうしの小ちいさな摩擦まさつであることから、登坂とさか区間くかんや雨天うてん時じなどにおいて空転くうてんを引ひき起おこす。ここで、電動でんどう機きが速度そくどの向上こうじょうとともにトルクが減少げんしょうする特性とくせいを持もっていれば、空転くうてんを起おこした車輪しゃりんは回転かいてん速度そくどが急激きゅうげきに上あがることでトルクを失うしない、再さい粘着ねんちゃくして空転くうてんが収束しゅうそくしやすい。

このほか、負荷ふかや電圧でんあつの変動へんどうに耐たえられることや、複数ふくすうの電動でんどう機きを用もちいても負荷ふかの不ふ均衡きんこうが生しょうじにくいことなどが必要ひつようとされる。

直流ちょくりゅう整流せいりゅう子こ電動でんどう機き[編集へんしゅう]

直流ちょくりゅうと交流こうりゅう

直流ちょくりゅう - 流ながれる方向ほうこうが変化へんかしない電流でんりゅう。電池でんちのようにプラス・マイナスの電源でんげん電極でんきょくが定さだまっている。
交流こうりゅう - 時間じかんとともに流ながれる方向ほうこうが変化へんかする電流でんりゅう。家庭かてい用ようのコンセントから得えられる単たん相しょう交流こうりゅうや、3系統けいとうからなる三さん相そう交流こうりゅうなどがある。

整流せいりゅう子こ電動でんどう機きの動作どうさ。外側そとがわに配置はいちされる界さかい磁と、内側うちがわで回転かいてんする電機でんき子こによる構成こうせい。手前てまえは整流せいりゅう子ことブラシ。

電動でんどう機きは回転かいてんする軸じくを持もつ回転子かいてんしと、回転子かいてんしとの相互そうご作用さようによりトルクを発生はっせいさせる固定こてい子こから構成こうせいされる。電気でんき車しゃには、回転子かいてんしに電機でんき子こ、固定こてい子こに界さかい磁と呼よばれる電磁石でんじしゃくをそれぞれ配置はいちした直流ちょくりゅう整流せいりゅう子こ電動でんどう機き（電磁石でんじしゃく界かい磁形整流せいりゅう子こ電動でんどう機き）が古ふるくから用もちいられてきた。この電動でんどう機きは、電機でんき子この回転かいてんに応おうじて極性きょくせいを変かえるための整流せいりゅう子こやブラシを必要ひつようとするが、始動しどうトルクが大おおきい、速度そくど制御せいぎょが容易よういなどの利点りてんを持もつ。

さらに直流ちょくりゅう整流せいりゅう子こ電動でんどう機きは、界さかい磁と電機でんき子こを並列へいれつに接続せつぞくする分ぶん巻まき、直列ちょくれつに接続せつぞくする直ちょく巻まき、これら双方そうほうを合あわせ持もつ複ふく巻まきに分類ぶんるいされ、下表かひょうのように特性とくせいが異ことなる。このほか界かい磁を別電べつでん源げんとする他た励方式しきもあり、その特性とくせいは分ぶん巻まきに類似るいじする。

直流ちょくりゅう整流せいりゅう子こ電動でんどう機きの種類しゅるいと特性とくせい
種別しゅべつ	分ぶん巻まき電動でんどう機き	直ちょく巻まき電動でんどう機き	複ふく巻まき電動でんどう機き
図ず中ちゅう - M-電機でんき子こ・ f-界さかい磁
界さかい磁	電機でんき子こと並列へいれつ（図ず-A）	電機でんき子こと直列ちょくれつ（図ず-B）	並列へいれつおよび直列ちょくれつ（図ず-C）
特性とくせい	トルクは負荷ふか電流でんりゅうに比例ひれい定てい速度そくど特性とくせい	始動しどうトルク大だいトルクは電流でんりゅうの2乗じょうに比例ひれい負荷ふかに応おうじ速度そくど変化へんか	分ぶん巻まきと直ちょく巻まきの中なか間あいだ特性とくせい

上記じょうきの中なかでは、始動しどうトルクが大おおきく速度そくど変化へんかの容易よういな直ちょく巻まき電動でんどう機きが電気でんき車しゃの電動でんどう機きとして適てきしており、黎明れいめい期きから搭載とうさいし活用かつようされた。また、界さかい磁の制御せいぎょがしやすい複ふく巻まき電動でんどう機きも、定てい速度そくど制御せいぎょや回生かいせいブレーキを目的もくてきに採用さいようされた製品せいひんが存在そんざいする。

ここで、直ちょく巻まき電動でんどう機きの特性とくせいについて整理せいりしておく。整流せいりゅう子こ電動でんどう機きにおいてトルク（ $T$ ）は、界さかい磁による磁束じそく（ $\phi \,$ ）と電機でんき子こ電流でんりゅう（ $I_{a}\,$ ）の積せきに比例ひれいする。

$T=k\cdot \phi \cdot I_{a}$

また、磁束じそくは界さかい磁電流りゅう（ $I_{f}\,$ ）に比例ひれいし、直ちょく巻まき電動でんどう機きでは界さかい磁電流りゅうと電機でんき子こ電流でんりゅうが一致いっちすることから、磁束じそくは電機でんき子こ電流でんりゅうに比例ひれいする。したがって、直ちょく巻まき電動でんどう機きのトルクは電機でんき子こ電流でんりゅうの2乗じょうに比例ひれいする。

$\phi =k_{1}\cdot I_{f}=k_{1}\cdot I_{a}$
$T=k\cdot \phi \cdot I_{a}=k_{2}\cdot I_{a}^{2}$

（ここに $k,k_{1},k_{2}\,$ は任意にんいの定数ていすう）

一方いっぽう、電動でんどう機きは発電はつでん機きと基本きほん構造こうぞうが同おなじであり、界さかい磁の中なかで電機でんき子こが回転かいてんすると起電きでん力りょくが発生はっせいする。これは電動でんどう機きに与あたえる電圧でんあつと逆ぎゃく向むきに作用さようするため、逆ぎゃく起電きでん力りょくと呼よばれる。逆ぎゃく起電きでん力りょくは回転かいてん数すうと磁束じそくの積せきに比例ひれいして増加ぞうかすることから、回転かいてん数すうが上あがると電機でんき子こ電流でんりゅうが流ながれにくくなりトルクが低下ていかする。

これらの結果けっかをまとめると、直ちょく巻まき電動でんどう機きの特性とくせいは、

電流でんりゅうは回転かいてん数すうに反比例はんぴれいする。
トルクは回転かいてん数すうの2乗じょうに反比例はんぴれいする。

となり、右みぎ図ずに示しめす性能せいのう曲線きょくせんが得えられ、電気でんき車しゃが求もとめる特性とくせいに合致がっちしたものとなる。

三さん相そう交流こうりゅう電動でんどう機き[編集へんしゅう]

単たん相しょう交流こうりゅうと三さん相そう交流こうりゅう

単たん相しょう交流こうりゅう - 1系統けいとうの電線でんせんを流ながれる交流こうりゅう。家庭かてい用よう電源でんげんや鉄道てつどうの交流こうりゅう電化でんかに用もちいられる。
三さん相そう交流こうりゅう - 波形はけいの位相いそうを120度どずらした3系統けいとうで構成こうせいされる交流こうりゅう。


単たん相しょう交流こうりゅう	三さん相そう交流こうりゅう

かご形がた三さん相そう誘導ゆうどう電動でんどう機き。
固定こてい子こに三さん相そう交流こうりゅうを流ながすと、誘導ゆうどう電流でんりゅうを生しょうじた回転子かいてんしが回転かいてん。

前項ぜんこうでは直流ちょくりゅう電源でんげんによる電動でんどう機きについて述のべたが、さらに交流こうりゅう電源でんげんを使用しようする電動でんどう機きについて解説かいせつを加くわえる。

整流せいりゅう子こ電動でんどう機きも交流こうりゅう電源でんげんで使用しようが可能かのうであるが、交流こうりゅう電源でんげんには誘導ゆうどう電動でんどう機きや同期どうき電動でんどう機きが一般いっぱんに広ひろく使つかわれる。整流せいりゅう子こ電動でんどう機きが整流せいりゅう子ことブラシにより極性きょくせいを変かえて回転かいてんするのに対たいし、これらの電動でんどう機きは電圧でんあつの向むきが周期しゅうき的てきに変化へんかする交流こうりゅう電源でんげんに同期どうきして回転かいてんするものである。

これらの電動でんどう機きは回転かいてん速度そくどが電源でんげん周波数しゅうはすうに依存いぞんするため、細こまかな速度そくど制御せいぎょが難むずかしく、鉄道てつどう車両しゃりょうのような使用しよう速度そくど域いきの広ひろい電動でんどう機きには不向ふむきとされてきた。しかし、20世紀せいき後半こうはんのパワーエレクトロニクスの発展はってんによって、電圧でんあつや周波数しゅうはすうを自在じざいに制御せいぎょできるインバータが開発かいはつされると、一気いっきに電気でんき車しゃの電動でんどう機きとして採用さいようが進すすんだ。

とりわけ電気でんき車しゃに採用さいようが多おおいのは、かご形がた三さん相そう誘導ゆうどう電動でんどう機きである。この電動でんどう機きは三さん相そう交流こうりゅうを流ながす固定こてい子こと、かご形がた構造こうぞうの回転子かいてんしにより構成こうせいされる。固定こてい子こに電流でんりゅうを流ながすと、三さん相そう交流こうりゅうの波形はけいに応おうじた回転かいてん磁界じかいが発生はっせいし、かご形がたの回転子かいてんしに誘導ゆうどう電流でんりゅうが流ながれて回転かいてんする仕組しくみである。整流せいりゅう子こ電動でんどう機きとは異ことなり、回転子かいてんしの誘導ゆうどう電流でんりゅうは回転かいてん磁界じかいによって自然しぜんに生しょうじるものであり、回転子かいてんしへ電流でんりゅうを流ながすための整流せいりゅう子こ・ブラシを必要ひつようとしないことから、小型こがた・軽量けいりょう化かが図はかれるとともに高こう回転かいてん・高こう出力しゅつりょく化かも容易よういで保守ほしゅ性せいにも優すぐれる。

かご形がた三さん相そう電動でんどう機きのトルク（ $T$ ）は、電源でんげん電圧でんあつ（ $V$ ）、電源でんげん周波数しゅうはすう（ $f_{i}$ ）、回転かいてん磁界じかいの回転かいてん速度そくど（ $n_{s}$ ）、回転子かいてんしの回転かいてん速度そくど（ $n_{r}$ ）と、

$f_{s}=s\cdot f_{i}=(n_{s}-n_{r})/n_{s}\cdot f_{i}$
$T=k(V/f_{i})^{2}\cdot f_{s}$

の関係かんけいにある。ここに、 $s$ はすべり、 $f_{s}$ はすべり周波数しゅうはすうと呼よばれるもので、すべりは磁界じかいと回転子かいてんしの回転かいてん速度そくどの差さであり、回転子かいてんしに自じ励電流りゅうを生しょうじさせ誘導ゆうどう電動でんどう機きにトルクを与あたえるものである。上うえ式しきから、誘導ゆうどう電気でんきの特性とくせいは、

トルクは電圧でんあつの2乗じょうに比例ひれいし、電源でんげん周波数しゅうはすうの2乗じょうに反比例はんぴれいする。
トルクはすべり周波数しゅうはすうに比例ひれいする。
電圧でんあつと周波数しゅうはすうを比例ひれいさせれば≡電圧でんあつ／周波数しゅうはすうを一定いっていに加速かそくすれば定ていトルクが得えられる。

となり、ここで電源でんげん電圧でんあつおよびすべり周波数しゅうはすうを一定いっていとすれば、直ちょく巻まき電動でんどう機きと同様どうように『トルクが回転かいてん数すうの2乗じょうに反比例はんぴれい』の特性とくせいが得えられる。

最近さいきんでは、誘導ゆうどう電動でんどう機きに代かわって埋うめ込こみ構造こうぞう永久えいきゅう磁石じしゃく同期どうき電動でんどう機き (IPMSM) の採用さいようも増ふえている。回転子かいてんしに永久えいきゅう磁石じしゃくを埋うめ込こんだ空くうげきのある常つね磁性じせい体からだを用もちいた電動でんどう機きで、誘導ゆうどう電動でんどう機きに比くらべ何なんらかの損失そんしつが少すくなく、高たかい効率こうりつが得えられることが特長とくちょうである。また、稼働かどう時じの放熱ほうねつが小ちいさいことから密閉みっぺい構造こうぞうとすることができ、騒音そうおん軽減けいげんや電動でんどう機き内部ないぶへの粉塵ふんじん浸入しんにゅうの抑制よくせいも容易よういである。このような特長とくちょうから、電気でんき自動車じどうしゃやハイブリッドカーではIPMSMの採用さいようが目立めだっている。一方いっぽうで、永久えいきゅう磁石じしゃくの鎖くさり交磁束じそくによって固定こてい子こにおける鉄てつ損そんや誘さそえ起電きでん圧あつが発生はっせいするため、必要ひつように応おうじて無む負荷ふか(惰行運転うんてん)時じにも弱よわめ磁束じそく制御せいぎょを手動しゅどうで行おこなうほか、インバータの故障こしょう時じに短絡たんらく電流でんりゅうを遮断しゃだんする機器ききが必要ひつようである。また同期どうき電動でんどう機きとしての特性とくせい上じょう、複数ふくすうのモーターを一括いっかつ制御せいぎょすることは不可能ふかのうであり、個別こべつ制御せいぎょが必須ひっすとなり構造こうぞうが複雑ふくざつになる。

速度そくど制御せいぎょの基本きほん[編集へんしゅう]

電気でんき車しゃにおける速度そくど制御せいぎょ[編集へんしゅう]

本来ほんらい、速度そくど制御せいぎょとは電動でんどう機きに与あたえる特性とくせい値ちを調整ちょうせいして、負荷ふかとつり合あう回転かいてん速度そくどを得えることを指さす用語ようごである。しかし、鉄道てつどう車両しゃりょうはあらゆる負荷ふかが大おおきく、目標もくひょうとする速度そくどに達たっするまで相応そうおうの時間じかんを要ようすることから、異ことなる手法しゅほうが採とられる。

一般いっぱんに電気でんき車しゃでは、各かく速度そくど領域りょういきにおける可能かのうな限かぎりの出力しゅつりょくを得えて、目標もくひょうとなる速度そくどまでいち早はやく加速かそくするよう制御せいぎょする。目標もくひょう速度そくどに達たっすると、電動でんどう機きの出力しゅつりょくを切きってしまい（ノッチオフという）惰性だせいで走行そうこうするか、もしくは出力しゅつりょくを低減ていげんして速度そくどを維持いじするといった手法しゅほうが採とられる。このように、電気でんき車しゃにおいては、出力しゅつりょくの制御せいぎょを行おこなった結果けっかとして得えられる速度そくどを、慣例かんれい的てきに速度そくど制御せいぎょと呼よんでいる。

電動でんどう機きと電気でんき車しゃにおける速度そくど制御せいぎょの違ちがい
電動でんどう機きの速度そくど制御せいぎょ	電気でんき車しゃの速度そくど制御せいぎょ
電圧でんあつや界さかい磁を制御せいぎょ ↓ 負荷ふかとつり合あう速度そくどで定てい回転かいてん	電圧でんあつや界さかい磁を制御せいぎょし最大さいだいの加速かそく力りょくを得える ↓ 目標もくひょうの速度そくどに達たっする ↓ 加速かそくを止とめ惰行運転うんてんまたは定てい速度そくど制御せいぎょ

前述ぜんじゅつのとおり電気でんき車しゃの電動でんどう機きは始動しどうトルクが大おおきく、速度そくどとともにトルクが低下ていかする特性とくせいが求もとめられる。しかしながら、このような特性とくせいの電動でんどう機きは速度そくどが低ひくいほどトルクや電流でんりゅうが大おおきくなるため、低てい速度そくどから所定しょていの特性とくせいを発揮はっきさせると、粘着ねんちゃく力りょく以上いじょうのトルクを発生はっせいして空転くうてんを起おこしたり、過剰かじょうな電流でんりゅうが流ながれて電動でんどう機きを焼損しょうそんするといった問題もんだいを生しょうじる。また、速度そくどが上あがるにつれて急速きゅうそくにトルクが低下ていかするため、高速こうそく化かの障害しょうがいとなりかねない。

そこで多おおくの場合ばあい、低速ていそく域いきでは電流でんりゅうおよびトルクを抑制よくせいして一いち定値ていちに保たもち、高速こうそく域いきではトルクがあまり低下ていかしないよう制御せいぎょを行おこなう。図ずAはこの制御せいぎょの考かんがえ方かたをグラフに示しめしたものであり、回転かいてん数すうが低ひくいときはトルクを抑おさえてT1に保たもち、回転かいてん数すうがV1を越こえると低下ていかするトルクの向上こうじょうを図はかる。これを実現じつげんするため、速度そくどに応おうじて電圧でんあつや界さかい磁等を変化へんかさせ、異ことなる特性とくせい曲線きょくせん（図ずBの細線さいせん）を得えてトルクの制御せいぎょを行おこなう。

具体ぐたい的てきな特性とくせい設計せっけい基準きじゅんとなる考かんがえ方かたとしては、レールと車輪しゃりんの粘着ねんちゃく力りょく限界げんかいを前提ぜんていに、降雨こううなど一般いっぱん的てき悪条件あくじょうけんで空転くうてんや滑走かっそうを起おこさない範囲はんいで加速かそく・減速げんそくトルクを設定せっていすることが実用じつよう上じょうの最大さいだい加速度かそくど、最大限さいだいげん速度そくどを得える基本きほんになる。

一般いっぱん的てきには定てい加速かそく、定てい減速げんそく制御せいぎょと思おもわれている応おう荷重かじゅう装置そうちも、動作どうさの実態じったいは粘着ねんちゃく力りょく限界げんかい内ない制御せいぎょ装置そうちであり、軽けい荷重におもではそれに応おうじてトルクを減げんじて、空転くうてん・滑走かっそうを起おこさない限界げんかい内ないで動作どうささせる装置そうちである。この考かんがえ方かただと直ちょく巻まき電動でんどう機きである必要ひつようはなく、分ぶん巻まき電動でんどう機きや誘導ゆうどう電動でんどう機き、同期どうき電動でんどう機きを鉄道てつどう車両しゃりょうに使つかうことができる。

粘着ねんちゃく力りょくは速度そくどが上あがるに連つれて減少げんしょうするが、制御せいぎょ系けいに速度そくど情報じょうほうを取とり込こまないシステムでは速度そくどV1以下いかが定ていトルクであるが、速度そくど情報じょうほうを取とり込こんで低速ていそくでは大だいトルクとして引張ひっぱ力ちからを上あげることが可能かのうで、近年きんねんの新幹線しんかんせん車両しゃりょうなどは粘着ねんちゃく力りょく速度そくど特性とくせいを想定そうていして速度そくどに応おうじてトルクを変かえている。

以下いか、図ずBを参照さんしょうしながら速度そくど域いきごとに制御せいぎょ方法ほうほうを概説がいせつする。

定ていトルク制御せいぎょ[編集へんしゅう]

起動きどう時じから低速ていそく域いきの範囲はんいにおいては、必要ひつようとする以上いじょうのトルクを電動でんどう機きが発生はっせいするため、電流でんりゅうを抑制よくせいして一定いっていのトルクに保たもつ。主しゅとして電動でんどう機きへの電圧でんあつを変かえることで制御せいぎょする。起動きどう時じは電圧でんあつをごく低ひくくしておき、図ずBにおける左端ひだりはしの細線さいせんの特性とくせいを得える。速度そくどが上あがるとトルクは低下ていかするため、これに合あわせ徐々じょじょに電圧でんあつを上あげていくと、特性とくせい曲線きょくせんは順じゅんに右みぎへ移動いどうしていき、トルクをほぼ一定いっていに保たもつことができる。このとき、電動でんどう機きの電流でんりゅうは一定いっていに制御せいぎょされ、出力しゅつりょくは速度そくどとともに増加ぞうかする。この制御せいぎょは電圧でんあつが最大さいだいとなる回転かいてん数すうV1まで行おこなう。

鉄道てつどう車両しゃりょうの走行そうこう抵抗ていこうは一般いっぱんに小ちいさく、低速ていそく領域りょういきでは速度そくどにかかわらず大おおきな変化へんかはないことから、電動でんどう機きの発生はっせいトルクが一定いっていであれば、ほぼ一定いっていの加速度かそくどが得えられる。このことから、定ていトルク制御せいぎょを行おこなう速度そくど領域りょういきを定てい加速度かそくど領域りょういきと呼よぶことがある。

定てい出力しゅつりょく制御せいぎょ[編集へんしゅう]

電動でんどう機きへ与あたえる電圧でんあつ（印加いんか電圧でんあつ）が最大さいだいとなる（=回転かいてん数すうがV1に達たっする）と、そのままでは後述こうじゅつの特性とくせい領域りょういきとして電動でんどう機きの特性とくせいにより速度そくど反比例はんぴれいで電流でんりゅうが低下ていかし、トルクが速度そくどの2乗じょうに反比例はんぴれいして急激きゅうげきに低下ていかする。ここでさらに加速かそくをしたい場合ばあいは、電圧でんあつ制御せいぎょ以外いがいの方法ほうほうで電流でんりゅうやトルクの低下ていかを抑制よくせいする制御せいぎょ方法ほうほうが採とられる。すなわち印加いんか電圧でんあつはそのままに、最大さいだい電圧でんあつ到達とうたつ以降いこうも一定いってい電流でんりゅうで加速かそくを続つづけると一定いってい入力にゅうりょく電力でんりょく（=一定いってい電圧でんあつ×一定いってい電流でんりゅう）となり、一定いってい出力しゅつりょくになる。これを定てい出力しゅつりょく制御せいぎょと呼よぶ。整流せいりゅう子こ電動でんどう機きでは界さかい磁を弱よわめる制御せいぎょ、誘導ゆうどう電動でんどう機きではすべり周波数しゅうはすうを増ふやす制御せいぎょを行おこなって、その制御せいぎょ限界げんかいまで電流でんりゅうを一定いっていに保たもつよう制御せいぎょする。これにより、トルクは速度そくどに反比例はんぴれいするようになり、速度そくどの2乗じょうに反比例はんぴれいする特性とくせい領域りょういきとしてそのまま運転うんてんするよりもトルク低下ていかを防ふせいで加速かそく力りょくを確保かくほできる。

定てい出力しゅつりょく制御せいぎょは必かならず行おこなわれるものではなく、かつては弱じゃく界磁制御かいじせいぎょをしない車両しゃりょうが普通ふつうだったし、定ていトルク制御せいぎょ領域りょういきを広ひろく取とり、そのまま特性とくせい領域りょういきへ移行いこうする方式ほうしきもある。交流こうりゅう電化でんか専用せんよう車両しゃりょうでは変圧へんあつ器き次第しだいで印加いんか電圧でんあつの制御せいぎょ幅はばを広ひろく採とれるため、このようなケースがしばしば見みられる。

特性とくせい領域りょういき[編集へんしゅう]

速度そくどが上あがり最大さいだい電圧でんあつに達たっすると（回転かいてん数すうV1）、あるいは定てい出力しゅつりょく制御せいぎょが限界げんかいに達たっすると（回転かいてん数すうV2）、これ以上いじょうの速度そくど向上こうじょうは電動でんどう機きの特性とくせいに依存いぞんする。すなわち、速度そくどに反比例はんぴれいして電流でんりゅうは低下ていかし、トルクは速度そくどの2乗じょうに反比例はんぴれいして低下ていかしていく。

以下いか、表ひょうに各かく速度そくど領域りょういきにおける速度そくど上昇じょうしょうと印加いんか電圧でんあつ、電流でんりゅう、発生はっせいトルク、出力しゅつりょくの関係かんけいについて示しめす。

表ひょう - 各かく速度そくど領域りょういきにおける速度そくど上昇じょうしょうと特性とくせいの関係かんけい
速度そくど領域りょういき	定ていトルク制御せいぎょ域いき	定てい出力しゅつりょく制御せいぎょ域いき	特性とくせい領域りょういき
速度そくど領域りょういき	起動きどうから低速ていそく域いき	中ちゅう速そく域いき	高速こうそく域いき
電圧でんあつ	▲増加ぞうか速度そくどに比例ひれい	一定いってい（最大さいだい値ち）	一定いってい（最大さいだい値ち）
電流でんりゅう	一定いってい	一定いってい	▼低下ていか速度そくどに反比例はんぴれい
トルク	一定いってい	▼低下ていか速度そくどに反比例はんぴれい	▼急激きゅうげきに低下ていか速度そくどの2乗じょうに反比例はんぴれい
出力しゅつりょく	▲増加ぞうか速度そくどに比例ひれい	一定いってい	▼低下ていか速度そくどに反比例はんぴれい

速度そくどやトルクを制御せいぎょする方法ほうほう[編集へんしゅう]

電動でんどう機きの印加いんか電圧でんあつを変かえる方法ほうほう[編集へんしゅう]

整流せいりゅう子こ電動でんどう機きの速度そくど制御せいぎょを行おこなうにあたってもっとも効果こうか的てきな方法ほうほうは、電動でんどう機きに作用さようする電圧でんあつ（印加いんか電圧でんあつ）を変かえることである。速度そくどやトルクの制御せいぎょが容易よういで、広ひろい速度そくど範囲はんいを制御せいぎょできるため、定ていトルク領域りょういきで用もちいられる。

下図したずは速度そくど変化へんかと電圧でんあつの制御せいぎょについて概念がいねんを示しめしたものである。

回転かいてん速度そくどが低ひくいときは逆ぎゃく起電きでん力りょくが小ちいさく、高たかい電圧でんあつを電動でんどう機きにかけると過大かだい電流でんりゅうが流ながれることから、低ひくい電圧でんあつで起動きどうする（図ず中ちゅう：第だい一いち段階だんかい）。
やがて回転かいてん速度そくどが上あがってくると、電機でんき子この逆ぎゃく起電きでん力りょくが増加ぞうかし、電機でんき子こ電流でんりゅうが減少げんしょうして発生はっせいトルクが下さがってゆく（図ず中ちゅう：第だい二に段階だんかい）。
そこで印加いんか電圧でんあつを上あげ、電機でんき子こ電流でんりゅうを確保かくほする（図ず中ちゅう：第だい三さん段階だんかい）。

この要領ようりょうで速度そくどの上昇じょうしょうとともに電圧でんあつを上あげ、電機でんき子こ電流でんりゅうとトルクを一定いっていに保たもちながら制御せいぎょを行おこなうのが、電圧でんあつによる速度そくどの制御せいぎょである。

図解ずかい - 速度そくどの変化へんかと電圧でんあつの制御せいぎょ
第だい一いち段階だんかい	第だい二に段階だんかい	第だい三さん段階だんかい

起動きどう時じ。逆ぎゃく起電きでん力りょくが小ちいさいので、印加いんか電圧でんあつを低ひくくして起動きどうする。	回転かいてん速度そくどが上あがるにつれ、逆ぎゃく起電きでん力りょくが増加ぞうかして電機でんき子こ電流でんりゅうが減少げんしょうする。	そこで、印加いんか電圧でんあつを上あげて、電機でんき子こ電流でんりゅうを確保かくほする。

電圧でんあつを変動へんどうさせる手法しゅほうには、黎明れいめい期きから採用さいようされてきた簡便かんべんな手法しゅほうから最新さいしん技術ぎじゅつのパワーエレクトロニクスを用もちいた手法しゅほうまで、さまざまな手法しゅほうが用もちいられてきた。以下いかにその方法ほうほうを概説がいせつする。

抵抗ていこう制御せいぎょ: 電動でんどう機きの始動しどう時じには始動しどう抵抗ていこうを電動でんどう機きと直列ちょくれつに配置はいちし、過大かだい電流でんりゅうを防ふせぐことがしばしば行おこなわれる。抵抗ていこう制御せいぎょは始動しどう抵抗ていこうを段階だんかい的てきに用意よういし、速度そくど制御せいぎょに応用おうようしたものである。簡便かんべんな方法ほうほうであり、電気でんき車しゃの速度そくど制御せいぎょとして古ふるくから広ひろく用もちいられている。一方いっぽうで、抵抗ていこうによる電流でんりゅうの損失そんしつや放熱ほうねつが避さけられないこと、抵抗ていこう値ちを変かえる際さい（進すすむ段だん時じ）に車体しゃたい全体ぜんたいに衝撃しょうげきが与あたえる為ため滑なめらかな加速かそくができないことが欠点けってんとして挙あげられる。
直ちょく並列へいれつ組合くみあわせ制御せいぎょ: 複数ふくすうの電動でんどう機きの配列はいれつを、直列ちょくれつ・並列へいれつに切きり替かえることによって、各かく電動でんどう機きの印加いんか電圧でんあつを変かえる方法ほうほうである。細こまかな制御せいぎょはできないが、抵抗ていこう制御せいぎょと組くみ合あわせることで、抵抗ていこう損失そんしつを減へらしたり、制御せいぎょ段数だんすうを増ふやして進すすむ段だん時じの衝撃しょうげきをある程度ていど和やわらげる効果こうかがある。
電圧でんあつ制御せいぎょ: 電源でんげん電圧でんあつを直接ちょくせつ変化へんかさせる方法ほうほうで、制御せいぎょの応答おうとうが速はやく効率こうりつ的てきであるが、直流ちょくりゅう電圧でんあつを制御せいぎょするのは難むずかしく、装置そうちが大おおがかりで高価こうかとなりやすい。; この方法ほうほうは交流こうりゅう電化でんかから発展はってんが見みられた。ワードレオナード制御せいぎょは交流こうりゅう電源でんげんに電動でんどう発電はつでん機きを組くみ合あわせたもので、発電はつでん機きの界磁制御かいじせいぎょによって出力しゅつりょく電圧でんあつを制御せいぎょする方式ほうしきである。電圧でんあつを自在じざいに制御せいぎょでき、直流ちょくりゅうへの整流せいりゅうも同時どうじに行おこなえるが、電動でんどう機きや発電はつでん機きが別途べっと必要ひつようなことから、重量じゅうりょうが大おおきく設備せつび費ひが高額こうがくとなることが欠点けってんで、電気でんき車しゃにおいて主しゅたる方式ほうしきとはならなかった。また、交流こうりゅうは変圧へんあつ器きを用もちいて電圧でんあつを簡単かんたんに変かえることができることから、変圧へんあつ器きの巻数かんすうを可変かへんとして出力しゅつりょく電圧でんあつを制御せいぎょし、直流ちょくりゅうに整流せいりゅうする仕組しくみがタップ制御せいぎょである。さらに、整流せいりゅう器きに制御せいぎょ電極でんきょくを組くみ合あわせると、連続れんぞく的てきに電圧でんあつを変化へんかできる位相いそう制御せいぎょが可能かのうである。当初とうしょ、水銀すいぎん整流せいりゅう器きが用もちいられ、その後ごシリコン整流せいりゅう器きに制御せいぎょ電極でんきょくを設もうけたサイリスタの登場とうじょうによって、無む接点せってんのサイリスタ連続れんぞく位相いそう制御せいぎょへと発展はってんした。位相いそう制御せいぎょは交流こうりゅう波形はけいの一部分いちぶぶんを取とり出だし、パルス状じょうの電源でんげんを得えて平均へいきん電圧でんあつを制御せいぎょするものである。; 一方いっぽう、直流ちょくりゅう電化でんかでは、サイリスタを直流ちょくりゅう電源でんげんに適用てきようしたサイリスタチョッパ制御せいぎょ（電機でんき子こチョッパ制御せいぎょ）がある。直流ちょくりゅう電源でんげんに対たいし高速こうそくでスイッチオン・オフを行おこない、平均へいきん電圧でんあつを制御せいぎょするもので、連続れんぞく制御せいぎょが可能かのうとなり、安定あんていした回生かいせいブレーキも得えられる。このような方式ほうしきをパルス幅はば変調へんちょう(PWM)と言いう。その一方いっぽう、交流こうりゅうとは異ことなりスイッチをオフにするための機構きこうが別途べっと必要ひつようで、装置そうちも高価こうかであった。

電圧でんあつ制御せいぎょの方式ほうしき
方式ほうしき	ワードレオナード	タップ制御せいぎょ	位相いそう制御せいぎょ	チョッパ制御せいぎょ
動作どうさ	交流こうりゅう→直流ちょくりゅう（可変かへん電圧でんあつ）・交流こうりゅう（可変かへん電圧でんあつ）			直流ちょくりゅう→直流ちょくりゅう（可変かへん電圧でんあつ）
概念がいねん図ず
特徴とくちょう	電動でんどう発電はつでん機きを用もちいて、出力しゅつりょく電圧でんあつを連続れんぞく制御せいぎょ。	変圧へんあつ器きの巻まき線せん比率ひりつを変かえて、出力しゅつりょく電圧でんあつを制御せいぎょ。	スイッチング素子そしにより、導通どうつう時間じかん（電気でんきを流ながす時間じかん）を変かえ、平均へいきん電圧でんあつを連続れんぞく制御せいぎょ。

界さかい磁を制御せいぎょする方法ほうほう[編集へんしゅう]

整流せいりゅう子こ電動でんどう機きに界さかい磁調整ちょうせい器きを取とり付つけ、界さかい磁の磁束じそくを調整ちょうせいしてトルクを制御せいぎょする方法ほうほうである。界さかい磁の制御せいぎょは、印加いんか電圧でんあつを制御せいぎょする方法ほうほうに比くらべ効果こうかは小ちいさいが、電流でんりゅうの一部いちぶのみを扱あつかうため装置そうちが小型こがたで費用ひようも抑おさえられる。そこで、電圧でんあつによる制御せいぎょが限界げんかいに達たっした中ちゅう速そく域いきから高速こうそく域いきにおいて、加速かそく特性とくせいの向上こうじょうを目指めざした定てい出力しゅつりょく制御せいぎょに広ひろく用もちいられる。

さて、直流ちょくりゅう整流せいりゅう子こ電動でんどう機きの節ふしで前述ぜんじゅつのとおり、整流せいりゅう子こ電動でんどう機きにおいてトルク（ $T\,$ ）は界さかい磁による磁束じそく（ $\phi \,$ ）と電機でんき子こ電流でんりゅう（ $I_{a}\,$ ）の積せきで表あらわされることから、一見いっけんするとトルクは界さかい磁に比例ひれいするように見みえる。

$T=k\cdot \phi \cdot I_{a}$

しかしながら実際じっさいには逆ぎゃくで、回転かいてんする電動でんどう機きにおいてトルクは界さかい磁の強つよさに反比例はんぴれいする特性とくせいを持もつ。電機でんき子こが回転かいてんすると逆ぎゃく起電きでん力りょくを生しょうじ、電機でんき子こ電流でんりゅうが流ながれにくくなる。一方いっぽう、逆ぎゃく起電きでん力りょくは回転かいてん数すうと界さかい磁の強つよさに比例ひれいするため、界さかい磁が強つよいと電機でんき子こ電流でんりゅうは小ちいさくなり、逆ぎゃくに界さかい磁を弱よわめると多おおくの電流でんりゅうが流ながれるようになる。結果けっかとして、電機でんき子こ電流でんりゅうが大おおきい後者こうしゃの方ほうが、トルクは大おおきくなる。このように、界さかい磁を弱よわめることでトルクを増加ぞうかさせる方法ほうほうを弱よわめ界磁制御かいじせいぎょと呼よぶ。弱よわめ界磁制御かいじせいぎょは中なか・高速こうそく域いきでのトルク特性とくせいの改善かいぜんに用もちいられる。電圧でんあつの制御せいぎょとは異ことなり、速度そくどの上昇じょうしょうにともなうトルクの低下ていかそのものは免まぬかれないものの、低下ていか幅はばを抑制よくせいし、出力しゅつりょく（=回転かいてん速度そくど×トルク）を一定いっていに保たもつことができる。

速度そくどともに上昇じょうしょうする逆ぎゃく起電きでん力りょくに着目ちゃくもくし、電圧でんあつの制御せいぎょと比較ひかくすると、

電圧でんあつの制御せいぎょ - 逆ぎゃく起電きでん力りょくに合あわせ印加いんか電圧でんあつを制御せいぎょする
界さかい磁の制御せいぎょ - 逆ぎゃく起電きでん力りょくそのものを制御せいぎょする

このようにい換いかえられる。

この特性とくせいを活いかし、複ふく巻まき電動でんどう機きを用もちいて界さかい磁を制御せいぎょすると定じょう速そく運転うんてんが可能かのうとなる。これは、速度そくどが上昇じょうしょうすると逆ぎゃく起電きでん力りょくを上あげて速度そくどを下さげ、速度そくどが下さがりすぎると逆ぎゃく起電きでん力りょくを低下ていかさせて速度そくどを上あげる機構きこうである。

このほか界かい磁の制御せいぎょ方法ほうほうとして、複ふく巻まき電動でんどう機きを用もちいた界さかい磁チョッパ制御せいぎょ・界さかい磁位相しょう制御せいぎょや、直ちょく巻まき電動でんどう機きを対象たいしょうとした界さかい磁添加てんか励磁れいじ制御せいぎょなどがある。これらは、比較的ひかくてき高価こうかなチョッパ制御せいぎょや位相いそう制御せいぎょを、装置そうちが小型こがたで済すむ界磁制御かいじせいぎょに適用てきようし、低ひくい製造せいぞう費用ひようで回生かいせいブレーキを可能かのうとしたものである。加速かそく時じの制御せいぎょにおいては、弱よわめ界かい磁と原理げんりに大おおきな差さはない。

電圧でんあつと周波数しゅうはすうを制御せいぎょする方法ほうほう[編集へんしゅう]

インバータによる交流こうりゅう出力しゅつりょく波形はけい。低てい回転かいてん域いきでは電圧でんあつと周波数しゅうはすうを比例ひれい的てきに増加ぞうかさせ、高速こうそく域いきでは周波数しゅうはすうのみを増ます。

回転子かいてんしが電機でんき子この回転かいてん磁界じかいを追おって回転かいてんする誘導ゆうどう電動でんどう機きや同期どうき電動でんどう機きの速度そくどを制御せいぎょする場合ばあいは、その単体たんたい特性とくせいに従したがい印加いんか電圧でんあつと周波数しゅうはすうを比例ひれい的てきに変かえる必要ひつようがある（右みぎ図ず前半ぜんはん）。電動でんどう機きの誘さそえ起おこり起電きでん圧あつにインピーダンス降下こうかを加くわえた電圧でんあつを供給きょうきゅうして任意にんい速度そくどでの運転うんてんを行おこなう。これは直流ちょくりゅう電動でんどう機きの起動きどうと同おなじであるが、交流こうりゅうだから周波数しゅうはすうの一致いっちと位相いそう関係かんけいが問題もんだいになる。

初期しょきの電気でんき車しゃでは、機械きかい的てきな回かい転変てんぺん流りゅう器きを車内しゃないに設置せっちし、電圧でんあつ・周波数しゅうはすうを可変かへんとした三さん相そう交流こうりゅうを作つくることを試こころみたが、必かならずしも成功せいこうとは言いえず、広ひろく普及ふきゅうするには至いたらなかった。

その後ご、パワーエレクトロニクスの進歩しんぽによりPWMを用もちいたインバータが開発かいはつされると、無む接点せってんによるVVVF制御せいぎょ（可変かへん電圧でんあつ可変かへん周波数しゅうはすう制御せいぎょ=V/f一定いってい制御せいぎょ：V-f比例ひれい制御せいぎょ）が可能かのうとなり、旧来きゅうらいの整流せいりゅう子こ電動でんどう機きを凌駕りょうがするようになった。

制御せいぎょ方式ほうしきの変遷へんせんと各かく制御せいぎょ方式ほうしきの詳説しょうせつ[編集へんしゅう]

本節ほんぶしでは、実際じっさいに用もちいられる代表だいひょう的てきな制御せいぎょ方法ほうほうを変遷へんせんとともに示しめし、各かく速度そくど領域りょういきにおける制御せいぎょの実際じっさいについて述のべる。まず、下表かひょうにおもな速度そくど制御せいぎょの手法しゅほうについて、一覧いちらんを示しめした。速度そくど制御せいぎょの名称めいしょうは特徴とくちょう的てきな部分ぶぶんを抜ぬき出だしたものとなっているが、実際じっさいは速度そくど領域りょういきによって複数ふくすうの制御せいぎょ方法ほうほうを併用へいようしているものがある。たとえば、界磁制御かいじせいぎょに特徴とくちょうのあるものは、定ていトルク領域りょういきでは大半たいはんが抵抗ていこう制御せいぎょを採用さいようしている。

表ひょう - おもな制御せいぎょ方式ほうしきと各かく領域りょういきでの実じつ制御せいぎょ
制御せいぎょ方式ほうしき	電化でんか方式ほうしき	電動でんどう機き	速度そくど制御せいぎょの方法ほうほう		回生かいせいブレーキ	摘要てきよう
制御せいぎょ方式ほうしき	電化でんか方式ほうしき	電動でんどう機き	定ていトルク制御せいぎょ域いき	定てい出力しゅつりょく制御せいぎょ域いき	回生かいせいブレーキ	摘要てきよう
抵抗ていこう制御せいぎょ	直流ちょくりゅう・（交流こうりゅう）*	直ちょく巻まき	抵抗ていこう制御せいぎょ（+組合くみあわせ制御せいぎょ）	分流ぶんりゅう回路かいろによる弱よわめ界かい磁	一般いっぱんに不可ふか^{[註 2]}
チョッパ制御せいぎょ（電機でんき子こチョッパ）		直ちょく巻まき	チョッパ装置そうちによる電圧でんあつ制御せいぎょ	分流ぶんりゅう回路かいろによる弱よわめ界かい磁	可か
他た励界磁制御かいじせいぎょ界さかい磁チョッパ制御せいぎょ		複ふく巻まき	抵抗ていこう制御せいぎょ（+組合くみあわせ制御せいぎょ）	分ぶん巻まき界かい磁の制御せいぎょによる弱よわめ界かい磁	可か
界さかい磁添加てんか励磁れいじ制御せいぎょ		直ちょく巻まき	抵抗ていこう制御せいぎょ（+組合くみあわせ制御せいぎょ）	位相いそう制御せいぎょ電流でんりゅうの添加てんかによる弱よわめ界かい磁（※）	可か	※界さかい磁の位相いそう制御せいぎょに別途べっと三さん相そう交流こうりゅう電源でんげんが必要ひつよう。
タップ制御せいぎょ	交流こうりゅう	直ちょく巻まき	変圧へんあつ器きのタップ切せつ換かわによる電圧でんあつ制御せいぎょ	分流ぶんりゅう回路かいろによる弱よわめ界かい磁（※）	不可ふか	※定ていトルク制御せいぎょのみとする場合ばあいもあり。
無電むでん弧こタップ切せつ換かわ			タップ切せつ換かわと位相いそう制御せいぎょ併用へいようによる電圧でんあつ制御せいぎょ		可か（要ようサイリスタインバータ）
サイリスタ位相いそう制御せいぎょ			位相いそう制御せいぎょによる電圧でんあつ制御せいぎょ		可か（要ようサイリスタインバータ）
VVVFインバータ制御せいぎょ	直流ちょくりゅう・（交流こうりゅう）*	IM PMSM	可変かへん電圧でんあつ可変かへん周波数しゅうはすう制御せいぎょ	すべり周波数しゅうはすう制御せいぎょ	可か

*電化でんか方式ほうしきの『（交流こうりゅう）』は、交流こうりゅうでも可能かのうであるが、いったん直流ちょくりゅうに整流せいりゅうしてから制御せいぎょするものを示しめす。

古典こてん的てきな直流ちょくりゅう電気でんき車しゃの制御せいぎょ[編集へんしゅう]


ジーメンス（左ひだり）とスプレイグ（右みぎ）

電気でんき鉄道てつどうの始はじまりはドイツの電気でんき技術ぎじゅつ者しゃヴェルナー・フォン・ジーメンスによるものであった。ジーメンスは1879年ねんベルリンで開ひらかれた商業しょうぎょう博覧はくらん会かいで電気でんき機関きかん車しゃの展示てんじと電車でんしゃの試験しけん運行うんこうを実施じっしし、その2年ねん後ごの1881年ねん、ベルリン・リヒターフェルデ間あいだにおいて路面ろめん電車でんしゃの営業えいぎょう運転うんてんを開始かいしした。この電車でんしゃは小型こがたの二に軸じく車しゃであり、2本ほんのレールから直流ちょくりゅう電源でんげんを得えて走行そうこうする方式ほうしきであった。一方いっぽうアメリカでは、電気でんき駆動くどうの父ちちと呼よばれるフランク・スプレイグが1888年ねんにリッチモンド (バージニア州しゅう)で路面ろめん電車でんしゃの運行うんこうを開始かいしするとともに、架線かせん集しゅう電でんや弱よわめ界かい磁、総括そうかつ制御せいぎょといった直流ちょくりゅう電気でんき車しゃの基本きほんシステムを確立かくりつした。

この直流ちょくりゅう電化でんかで直ちょく巻まき電動でんどう機きを駆動くどうする手法しゅほうは、電圧でんあつの制御せいぎょに損失そんしつが伴ともなう課題かだいを抱かかえているものの、変圧へんあつ器きや整流せいりゅう器きが不要ふようであり、構造こうぞうが簡便かんべんかつ安やすい製造せいぞう費用ひようで構成こうせいできる利点りてんを有ゆうしていた。このことから、さまざまな改良かいりょうを加くわえながらも、基本きほん構造こうぞうはインバータ制御せいぎょが普及ふきゅうする20世紀せいき末すえまで広ひろく用もちいられた。

抵抗ていこう制御せいぎょ[編集へんしゅう]

抵抗ていこう制御せいぎょの回路かいろ図ず。速度そくど上昇じょうしょうとともに抵抗ていこうを減へらし、電圧でんあつを上あげていく。

古ふるくから用もちいられてきた直流ちょくりゅう電気でんき車しゃの制御せいぎょは、以下いかを基本きほんとする。

電化でんか方式ほうしき	直流ちょくりゅう電化でんか（数すう百ひゃくボルトから数すう千せんボルト）
電動でんどう機き	直ちょく巻まき整流せいりゅう子こ電動でんどう機き
定ていトルク制御せいぎょ	抵抗ていこう制御せいぎょ・直ちょく並列へいれつ組合くみあわせ制御せいぎょ
定てい出力しゅつりょく制御せいぎょ	弱よわめ界磁制御かいじせいぎょ

ここで基本きほんとなるのは抵抗ていこう制御せいぎょである。直ちょく巻まき整流せいりゅう子こ電動でんどう機きは電流でんりゅうが回転かいてん速度そくどに反比例はんぴれいすることから、停止ていし状態じょうたいで電源でんげん電圧でんあつをそのまま作用さようさせると、過大かだい電流でんりゅうが流ながれ電動でんどう機きを焼損しょうそんしたり、過大かだいなトルクを発はっして車輪しゃりんが空転くうてんを起おこしてしまう。そこで、右みぎ図ずに示しめすように抵抗ていこう器きを電動でんどう機きと直列ちょくれつに配置はいちして起動きどうする。これによって電流でんりゅうは低ひくく抑おさえられ、電源でんげん電圧でんあつは抵抗ていこう値ちに応おうじて電動でんどう機きと抵抗ていこう器きに分配ぶんぱいされる。起動きどう時じでは、電動でんどう機きの抵抗ていこう値ちに相当そうとうする逆ぎゃく起電きでん力りょくはほぼゼロであるため、電源でんげん電圧でんあつの大半たいはんは抵抗ていこう器きに作用さようする。

やがて回転かいてん速度そくどが上あがってくると、電動でんどう機きには印加いんか電圧でんあつと逆ぎゃく向むきの逆ぎゃく起電きでん力りょくが増加ぞうかし、これにともなって電流でんりゅうが減少げんしょうし発生はっせいトルクも下さがっていく。ここで抵抗ていこう器きの一部いちぶを短絡たんらくすると、電動でんどう機きの印加いんか電圧でんあつが上昇じょうしょうするとともに、電流でんりゅうとトルクが回復かいふくする。この要領ようりょうで、回転かいてん速度そくどに応おうじて電流でんりゅうが変化へんかする電動でんどう機きの特性とくせいに合あわせ、段階だんかい的てきに抵抗ていこうを減へらし、電流でんりゅうとトルクをほぼ一定いっていに保たもつのが抵抗ていこう制御せいぎょである。

抵抗ていこう値ちの切きり替かえを進すすむ段だんと呼よび、機関きかん車しゃでは機関きかん士しが電流でんりゅう計けいを見みながら手動しゅどうで操作そうさし、電車でんしゃでは制御せいぎょ装置そうちが電流でんりゅう値ちを検出けんしゅつして自動じどう進しん段だんする方法ほうほうが主流しゅりゅうである。このときの電流でんりゅう値ちを限きり流りゅう値ちという。また、抵抗ていこう器きは電流でんりゅうを流ながすと熱ねつを発はっするため、進すすむ段だんせずに電流でんりゅうを流ながし続つづけると過熱かねつして損傷そんしょうする。したがって、抵抗ていこう制御せいぎょは速度そくどを上あげるための過渡かと的てきな制御せいぎょであり、速すみやかに進すすむ段だんしてすべての抵抗ていこうを短絡たんらくしなければならない。速度そくど制限せいげんのある上のぼり勾配こうばいなど、進すすむ段だん途中とちゅうの速度そくどを維持いじしたまま力行りっこうを行おこなう場合ばあいは、運転うんてん士しのノッチ操作そうさにより電源でんげんのオン・オフを繰くり返かえす『ノコギリ運転うんてん』^{[註 3]}を行おこなう必要ひつようがある。

抵抗ていこう制御せいぎょのひとつの問題もんだいとして、段階だんかい制御せいぎょであることが挙あげられる。抵抗ていこう値ちの進すすむ段だんを行おこなう瞬間しゅんかんに電流でんりゅう値ちが跳はね上あがり、これにともなってトルクが急変きゅうへんする。抵抗ていこう制御せいぎょの電気でんき車しゃが発車はっしゃしてしばらくの間あいだ、加速かそくに段階だんかい的てきな衝動しょうどうを伴ともなうのはこのためである。トルクの急変きゅうへんは乗のり心地ごこちを損そこねるばかりでなく、空転くうてんを引ひき起おこす原因げんいんともなることから、進すすむ段段だんだん数すうを多おおくして影響えいきょうを抑おさえることが望のぞましい。図示ずしの事例じれいでは4個この抵抗ていこう器きを順じゅんに短絡たんらくする5段階だんかいの制御せいぎょを示しめしたが、抵抗ていこう値ちの異ことなる抵抗ていこう器きを用意よういし、これらを組くみ合あわせれば多段ただん階かいの抵抗ていこう値ちが得えられる。たとえば、抵抗ていこう値ちが異ことなる4組くみの抵抗ていこう器きを用意よういすれば、理論りろん上じょう得えられる抵抗ていこう値ちの組くみ合あわせは16通とおりとなる。しかし、このような方法ほうほうそのままではスイッチの開閉かいへい回数かいすうが極端きょくたんに多おおくなり、また、各かくスイッチが電流でんりゅうを遮断しゃだんする能力のうりょくを持もつ必要ひつようがあるので、製品せいひん寿命じゅみょうの短みじかさや製造せいぞう費用ひようが嵩かさむといった課題かだいがある。さらに空転くうてんに対たいして条件じょうけんの厳きびしい貨物かもつ用ようの電気でんき機関きかん車しゃなどでは、数かず段階だんかいの「副ふく抵抗ていこう器き」を別途べっと用意よういし、進すすむ段だん時じに小刻こきざみな制御せいぎょ段だんを挿入そうにゅうして電流でんりゅうの微ほろ調整ちょうせいを可能かのうとするものがあり、これを超ちょう多段ただん制御せいぎょ、またはノギスの副ふく尺しゃく（バーニヤ）に例たとえてバーニア抵抗ていこう制御せいぎょと呼よぶ。

直ちょく並列へいれつ組合くみあわせ制御せいぎょ[編集へんしゅう]

抵抗ていこう損失そんしつ
上段じょうだん - 組合くみあわせ制御せいぎょなし
下段げだん - 組合くみあわせ制御せいぎょあり

抵抗ていこう制御せいぎょにおけるもう一ひとつの問題もんだいとして、抵抗ていこう損失そんしつがある。抵抗ていこう制御せいぎょは電動でんどう機きの印加いんか電圧でんあつを抑おさえるため、余分よぶんとなる電圧でんあつを抵抗ていこう器きにかけ、電力でんりょくの一部いちぶを熱ねつとして捨すてる方法ほうほうである。起動きどう時じは大半たいはんが抵抗ていこう器きで消費しょうひされ、進すすむ段だんにともなってその量りょうは減へっていくが、すべての抵抗ていこうを短絡たんらくするまでに消費しょうひする電力でんりょくの半分はんぶんが熱ねつ損失そんしつとなってしまう（右みぎ図ず上段じょうだん）。この損失そんしつは抵抗ていこう制御せいぎょでは避さけられないが、これを低減ていげんする手法しゅほうとして組合くみあわせ制御せいぎょの併用へいようが一般いっぱんに行おこなわれる。

一般いっぱんに電気でんき車しゃでは単一たんいつではなく、複数ふくすうの電動でんどう機きが用もちいられる。組合くみあわせ制御せいぎょは、これら複数ふくすうの電動でんどう機き配列はいれつを直列ちょくれつ・並列へいれつに切きり替かえることで、個々ここの電動でんどう機きへの印加いんか電圧でんあつを変かえるものである。たとえば4個この電動でんどう機きについて考かんがえてみると、4個こ直列ちょくれつの場合ばあいは電動でんどう機きには電源でんげん電圧でんあつの4分ぶんの1しか作用さようしないが、そのうち2個こずつを並列へいれつにつなぎ替かえると電源でんげん電圧でんあつの2分ぶんの1が電動でんどう機きに作用さようする（下図したず左ひだり）。この特性とくせいを利用りようすると、起動きどう時じには直列ちょくれつとして印加いんか電圧でんあつを抑おさえ、速度そくどが上あがった段階だんかいで並列へいれつに切きり替かえ印加いんか電圧でんあつを起動きどう時じの2倍ばいにすることができる。

この方法ほうほうは電動でんどう機き個数こすうの組合くみあわせに限かぎりがあることから、2段階だんかいないし3段階だんかい程度ていどの大雑把おおざっぱな電圧でんあつ制御せいぎょしかできないが、抵抗ていこう制御せいぎょと併用へいようすることで抵抗ていこう損失そんしつを減へらすことができる。たとえば2段階だんかいの組合くみあわせ制御せいぎょに対たいし、直列ちょくれつおよび並列へいれつでそれぞれ抵抗ていこう制御せいぎょを行おこなうと、右みぎ図ず下段げだんに示しめすように抵抗ていこう損失そんしつを半分はんぶんにすることができる。さらに、制御せいぎょ段数だんすうも増ふやすことができ、進すすむ段だん時じの衝撃しょうげきを小ちいさくする効果こうかも得えられる。

また、抵抗ていこう制御せいぎょは抵抗ていこう器きの過熱かねつを避さけるため進すすむ段だん途中とちゅうの速度そくど維持いじが制限せいげんされるが、組合くみあわせ制御せいぎょを併用へいようすることによって、途中とちゅう段階だんかいの速度そくど維持いじが可能かのうとなる。下図したず右みぎに示しめす直列ちょくれつ最終さいしゅう段だんは抵抗ていこう器きを使用しようしないため、連続れんぞく使用しようが可能かのうである。

電源でんげん電圧でんあつ E 印加いんか電圧でんあつ - 1/4E（直列ちょくれつ）・1/2E（並列へいれつ）
2段だん組合くみあわせの例れい。上段じょうだん直列ちょくれつ、下段げだん並列へいれつ。並列へいれつ時じは直列ちょくれつ時じの2倍ばいの電圧でんあつが電動でんどう機きに作用さようする。	抵抗ていこう制御せいぎょと組合くみあわせ制御せいぎょによる速度そくどと電流でんりゅうの関係かんけい。直列ちょくれつおよび並列へいれつ最終さいしゅう段だんは、抵抗ていこうを用もちいないので連続れんぞく使用しようが可能かのう。

弱よわめ界磁制御かいじせいぎょ[編集へんしゅう]

抵抗ていこう制御せいぎょ・組合くみあわせ制御せいぎょが最終さいしゅう段だんに達たっすると、電動でんどう機きの印加いんか電圧でんあつは最大さいだいとなり、これ以上いじょうの電圧でんあつ向上こうじょうはできなくなる（下図したずの第だい一いち段階だんかい）。この状態じょうたいで回転かいてん速度そくどをさらに上あげていくと逆ぎゃく起電きでん力りょくが増加ぞうかし、回転かいてん速度そくどに反比例はんぴれいして電機でんき子こ電流でんりゅう（ $I_{a}\,$ ）が低下ていかする（下図したずの第だい二に段階だんかい）。また、直ちょく巻まき電動でんどう機きは電機でんき子こと界さかい磁を直列ちょくれつとしていることから、電機でんき子こ電流でんりゅうがそのまま界かい磁電流りゅうとなり、磁束じそく（ $\phi \,$ ）・電機でんき子こ電流でんりゅうとも低下ていかし、結果けっかとしてトルク（ $T\,$ ）は回転かいてん数すうの2乗じょうに反比例はんぴれいして急激きゅうげきに低下ていかしてしまう（右みぎ図ず赤あか線せん）。

$T=k\cdot \phi \cdot I_{a}$

ここでトルクの低下ていかを抑制よくせいするには弱よわめ界かい磁を用もちいる。下図したずの第だい三さん段階だんかいに示しめすように、界さかい磁電流りゅうの一部いちぶを短絡たんらくしたり別べつ回路かいろに流ながすことで界さかい磁を弱よわめると、逆ぎゃく起電きでん力りょくが低下ていかし電機でんき子こ電流でんりゅうが回復かいふくする。このとき界かい磁磁束じそくは小ちいさくなるためトルクの低下ていかは免まぬかれないものの、電機でんき子こ電流でんりゅうを確保かくほすることで速度そくど上昇じょうしょうにともなうトルクの低下ていか幅はばを抑制よくせいできる（右みぎ図ず青あお線せん）。

界さかい磁を弱よわめる方法ほうほうとして、界さかい磁の中間ちゅうかんにタップを設もうけて界さかい磁の一部いちぶを短絡たんらくする方法ほうほう（界さかい磁タップ制御せいぎょまたは部分ぶぶん界かい磁式）や、界さかい磁と並列へいれつに抵抗ていこうを配置はいちして界さかい磁電流りゅうの一部いちぶをバイパスさせる方法ほうほう（界さかい磁分流ぶんりゅう制御せいぎょまたは分ぶん路みち界かい磁式）がある。いずれも段階だんかい的てきに界さかい磁を制御せいぎょする方法ほうほうが採とられ、ほぼ電機でんき子こ電流でんりゅうが一定いっていとなるように制御せいぎょする。これにより出力しゅつりょく（=トルク×回転かいてん速度そくど）を一定いっていに保たもったまま、加速かそくすることができる。界さかい磁タップ制御せいぎょは電動でんどう機きの界さかい磁巻線せんそのものにタップ端子たんしを設もうける必要ひつようがあり、界さかい磁磁束じそくの制御せいぎょ段数だんすうも界さかい磁分流ぶんりゅう制御せいぎょほど多おおくできないという欠点けってんがある。

図解ずかい - 弱よわめ界磁制御かいじせいぎょ
第だい一いち段階だんかい	第だい二に段階だんかい	第だい三さん段階だんかい

回転かいてん速度そくどが上あがり、印加いんか電圧でんあつが最大さいだいとなった状態じょうたい。	さらに回転かいてん速度そくどを上あげると、逆ぎゃく起電きでん力りょくが上昇じょうしょうし電流でんりゅうが減少げんしょうする。電圧でんあつはこれ以上いじょう上あげられない。	界さかい磁電流りゅうをの一部いちぶをバイパスして界さかい磁を弱よわめると、逆ぎゃく起電きでん力りょくが低下ていかし、電流でんりゅうが確保かくほできる。

弱よわめ界かい磁は電圧でんあつを変かえることなく中なか高速こうそく域いきのトルク特性とくせいを向上こうじょうできるが、際限さいげんなく界さかい磁を弱よわめていくと電機でんき子こ反作用はんさようにより磁束じそくが乱みだれ、整流せいりゅう不良ふりょうを起おこしてしまうことから、一般いっぱんに全ぜん界さかい磁（弱よわめ界かい磁を用もちいない状態じょうたい）の35%程度ていどにまで弱よわめることが限界げんかいとされる。さらに界さかい磁を弱よわめる場合ばあいは、電機でんき子こ反作用はんさようを抑おさえる補償ほしょう巻まき線せんを界さかい磁に付与ふよすることで25%程度ていどまで可能かのうとなる。

また、弱よわめ界かい磁はトルク向上こうじょうの手段しゅだんとして用もちいられる以外いがいに、逆ぎゃくにトルクを抑制よくせいする目的もくてきで使つかわれる場合ばあいもある。逆ぎゃく起電きでん力りょくは回転かいてん速度そくどに比例ひれいするため、回転かいてん速度そくどがごく低ひくい起動きどう時じはほとんど発生はっせいしない。したがって起動きどう時じに界さかい磁を弱よわめた場合ばあい、逆ぎゃく起電きでん力りょくの影響えいきょうはごく小ちいさく、電機でんき子こ電流でんりゅうはほとんど増加ぞうかしない一方いっぽうで、界さかい磁磁束じそくのみが小ちいさくなることから、トルクは抑おさえられる方向ほうこうへ作用さようする。この特性とくせいを利用りようして起動きどう時じのトルクを低ひくく抑おさえ、発車はっしゃ時じの衝動しょうどうを抑制よくせいする方式ほうしきを弱よわめ界かい磁起動きどうと呼よぶ。

交流こうりゅう電気でんき車しゃの制御せいぎょ[編集へんしゅう]

世界せかい初はつの交流こうりゅう電化でんか。スイスのユングフラウ鉄道てつどう。

交流こうりゅう電化でんかを採用さいようする日本にっぽんの新幹線しんかんせん。

黎明れいめい期きの電気でんき鉄道てつどうは、市街しがい電車でんしゃや都市とし近郊きんこう路線ろせんなど近距離きんきょり運行うんこうの鉄道てつどうに用もちいられた。これらは直流ちょくりゅう電化でんかによるものであったが、長距離ちょうきょり路線ろせんの電化でんかが計画けいかくされると交流こうりゅう方式ほうしきが送電そうでん面めんで優位ゆういと考かんがえられるようになり、19世紀せいき末まつにはスイスで世界せかい初はつの交流こうりゅう電化でんかが行おこなわれている。その後ご国土こくどの広ひろいヨーロッパやアメリカを中心ちゅうしんに採用さいようされたほか、第だい二に次じ世界せかい大戦たいせん後ごは交流こうりゅう電気でんき車しゃ技術ぎじゅつの発展はってんが進すすみ、日本にっぽんの新幹線しんかんせんも交流こうりゅう電化でんかを採用さいようしている。

交流こうりゅうは直流ちょくりゅうに比くらべ電圧でんあつの制御せいぎょが容易よういであり、高こう電圧でんあつを用もちいることで送電そうでん損失そんしつが小ちいさく、変電へんでん所しょなどの地上ちじょう設備せつび費用ひようが低ひくい利点りてんを備そなえるほか、電気でんき車しゃの制御せいぎょ面めんにおいても低てい損失そんしつ・粘着ねんちゃく力りょく向上こうじょうなどの利点りてんを有ゆうしている。

交流こうりゅう電気でんき車しゃと電動でんどう機き[編集へんしゅう]

交流こうりゅう電気でんき車しゃは交流こうりゅう電化でんか区間くかんで走行そうこうする電気でんき車しゃを指さすもので、必かならずしも電動でんどう機きとして交流こうりゅう電動でんどう機きを使用しようするわけではない。電化でんか方式ほうしきと電動でんどう機きの組合くみあわせとして、次つぎに示しめす方式ほうしきがある。

三さん相そう交流こうりゅうを取とり入いれ、交流こうりゅう誘導ゆうどう電動でんどう機きを駆動くどうするもの。: 初期しょきの電化でんか方式ほうしきで用もちいられた方法ほうほう。三さん相そう交流こうりゅうを用もちいることから電力でんりょく設備せつび・集あつまり電でん設備せつびが複雑ふくざつであり、誘導ゆうどう電動でんどう機きの速度そくど制御せいぎょが難むずかしかったことから、広ひろく普及ふきゅうするには至いたらなかった。
単たん相しょう交流こうりゅうを取とり入いれ、交流こうりゅうのまま整流せいりゅう子こ電動でんどう機きを駆動くどうするもの。: 20世紀せいき前半ぜんはんにアメリカやドイツで採用さいようされた方式ほうしき。界さかい磁に電磁石でんじしゃくを用もちいた整流せいりゅう子こ電動でんどう機きはユニバーサルモーターとも呼よばれ、直流ちょくりゅうだけでなく交流こうりゅうでも使用しよう可能かのうである。ただし、周波数しゅうはすうの高たかい商用しょうよう電力でんりょく（50Hzへるつや60Hzへるつ）では整流せいりゅう不良ふりょうを起おこすため、16 2/3Hzへるつ（16.7Hzへるつ、50Hzへるつの3分ぶんの1）など特殊とくしゅな周波数しゅうはすうで電化でんかが行おこなわれた。
単たん相しょう交流こうりゅうを直流ちょくりゅうに変換へんかんし、整流せいりゅう子こ電動でんどう機きを駆動くどうするもの。: 1950年代ねんだいにフランスを中心ちゅうしんに実用じつよう化かされた方法ほうほう。電気でんき車しゃに整流せいりゅう器きを備そなえ、取とり入いれた交流こうりゅうを直流ちょくりゅうに変換へんかんしてから、直流ちょくりゅう整流せいりゅう子こ電動でんどう機きを駆動くどうする。電化でんかには商用しょうよう電力でんりょくをそのまま使用しようでき、広ひろく普及ふきゅうした。
単たん相しょう交流こうりゅうをコンバータ・インバータにより三さん相そう交流こうりゅうに変換へんかんし、交流こうりゅう電動でんどう機き（誘導ゆうどう電動でんどう機き・同期どうき電動でんどう機き）を駆動くどうするもの。: 20世紀せいき後半こうはんから用もちいられる現在げんざいの標準ひょうじゅん方式ほうしき。可変かへん電圧でんあつ可変かへん周波数しゅうはすう制御せいぎょ（VVVFインバータ）により、三さん相そう交流こうりゅう電動でんどう機きを制御せいぎょする方法ほうほう。インバータの動作どうさは直流ちょくりゅう電源でんげんを必要ひつようとするため、いったんコンバータにより直流ちょくりゅうに変換へんかんを行おこなう。

ここでは主しゅとして、単たん相しょう交流こうりゅうを直流ちょくりゅうに変換へんかんし、整流せいりゅう子こ電動でんどう機きを駆動くどうする電気でんき車しゃについて述のべる。交流こうりゅう電化でんかでは1万まんボルト以上いじょうの高たかい電圧でんあつが用もちいられていることから、電動でんどう機きに適てきした数すう百ひゃくボルトまで電圧でんあつを下さげ、さらに直流ちょくりゅう電動でんどう機きを駆動くどうするため交流こうりゅうを直流ちょくりゅうに整流せいりゅうする必要ひつようがある。

電化でんか方式ほうしき	交流こうりゅう電化でんか（1万まん数すう千せんボルトから数すう万まんボルト）	タップ制御せいぎょと位相いそう制御せいぎょ
電動でんどう機き	直ちょく巻まき整流せいりゅう子こ電動でんどう機き
定ていトルク制御せいぎょ	タップ制御せいぎょ・位相いそう制御せいぎょ
定てい出力しゅつりょく制御せいぎょ	弱よわめ界磁制御かいじせいぎょ
特記とっき事項じこう	変圧へんあつ器きによる降圧こうあつ・直流ちょくりゅうへの整流せいりゅうが必要ひつよう

交流こうりゅうは変圧へんあつ器きを用もちいて電圧でんあつを簡単かんたんに変かえられる特性とくせいを持もっており、変圧へんあつ器きを可変かへんとして電圧でんあつを制御せいぎょするタップ制御せいぎょが利用りようできるほか、波形はけいの一部いちぶを取とり出だし平均へいきん電圧でんあつを制御せいぎょする位相いそう制御せいぎょも可能かのうである。この二ふたつの電圧でんあつ制御せいぎょは幅広はばひろい速度そくど制御せいぎょに応用おうようでき、抵抗ていこう制御せいぎょに代表だいひょうされる直流ちょくりゅう電化でんかに比くらべ損失そんしつが少すくなく、粘着ねんちゃく性能せいのうにおいても有利ゆうりである。

タップ制御せいぎょ[編集へんしゅう]

変圧へんあつ器きは入力にゅうりょく側がわの1次じ巻まき線せんと出力しゅつりょく側がわの2次じ巻まき線せんから構成こうせいされ、1次じ巻まき線せんに交流こうりゅうを流ながすと電磁でんじ誘導ゆうどうにより2次じ巻まき線せんに電流でんりゅうが流ながれる仕組しくみである。2次じ巻まき線せんの出力しゅつりょく電圧でんあつは1次じ巻まき線せんと2次じ巻まき線せんの巻数かんすう比率ひりつに比例ひれいすることから、数すう万まんボルトに及およぶ架線かせん電圧でんあつを巻まき線せん比率ひりつを調整ちょうせいすることによって、電動でんどう機きに適てきした電圧でんあつ（千せん数すう百ひゃく - 数すう百ひゃくボルト）に下さげることができる。

ここで、巻まき線せんにタップを設もうけて巻数かんすうを可変かへんとすれば、タップの切きり換かえによって異ことなる出力しゅつりょく電圧でんあつが得えられる。これを電動でんどう機きの電圧でんあつ制御せいぎょに応用おうようしたのがタップ制御せいぎょである。高こう圧あつ側がわに前ぜん置おけした単たん巻まき変圧へんあつ器きのタップで切きり替かえを行おこなってから降圧こうあつ変圧へんあつ器きで降圧こうあつするものを高こう圧あつタップ制御せいぎょ、2次じ巻まき線せんに対たいして行おこなうものを低圧ていあつタップ制御せいぎょと呼よぶ。高こう圧あつタップ制御せいぎょはタップで扱あつかう電流でんりゅうが小ちいさく、切きり替かえ段数だんすうが多おおく取とれる利点りてんを有ゆうしているが、前ぜん置おけの単たん巻まき変圧へんあつ器きでタップ切せつ換かわを行おこなうため、変圧へんあつ器きが大型おおがたとなり重量じゅうりょうも増加ぞうかする。このため、単たん巻まき変圧へんあつ器きと降圧こうあつ変圧へんあつ器きの鉄心てっしんの一部いちぶ（帰き線せん磁路じろ）を共用きょうようにして軽量けいりょう化かを図はかったが、一見いっけんトランスの一いち次じ側がわをタップ切せつ換かわするように見みえて一部いちぶの技能ぎのう者しゃや鉄道てつどうファンに誤解ごかいが拡ひろがった。高こう圧あつタップ式しきでは水銀すいぎん整流せいりゅう器きによる整流せいりゅうをセンタータップ式しき回路かいろにして、運転うんてん管理かんりの必要ひつような陰極いんきょくを共通きょうつう電位でんいにして簡素かんそ化かを図はかっても電圧でんあつ切せつ換かわは一いち組くみで済すんだことで初期しょきには主流しゅりゅうだったが、大だい容量ようりょうシリコン整流せいりゅう器きの出現しゅつげんで、電圧でんあつ切きり替かえ機構きこうが一いち組くみで済すむブリッジ整流せいりゅう回路かいろの採用さいようが整備せいび面めんにおいては利便りべん性せいが高たかく、以降いこうは低圧ていあつ側がわでの制御せいぎょが主流しゅりゅうとなった。右みぎ図ず中段ちゅうだんは低圧ていあつタップ制御せいぎょの事例じれいである。電動でんどう機きの回転かいてん速度そくどに合あわせタップを切きり替かえ、電動でんどう機きの印加いんか電圧でんあつを制御せいぎょする。

一方いっぽう、変圧へんあつ器きのタップ制御せいぎょで得えられるのは交流こうりゅうであり、直ちょく巻まき電動でんどう機きを駆動くどうするためには、整流せいりゅう器きを用もちいて直流ちょくりゅうに変換へんかんする必要ひつようがある。初期しょきの交流こうりゅう電気でんき車しゃでは水銀すいぎん整流せいりゅう器きが用もちいられた。水銀すいぎん整流せいりゅう器きは位相いそう制御せいぎょが可能かのうであったが、振動しんどう対策たいさくや取とり扱あつかいが難むずかしく、後のちに開発かいはつされた半導体はんどうたい素子そしによるシリコン整流せいりゅう器きへ移行いこうした。また、元々もともとの交流こうりゅうは正弦せいげん波はであり、整流せいりゅう器きで得えられる電流でんりゅうは周期しゅうき的てきに波なみを持もった脈みゃく流りゅうとなることから、平滑へいかつ回路かいろを挿入そうにゅうしてなだらかな直流ちょくりゅうとする（右みぎ図ず下段げだん）。変圧へんあつ器きのタップ制御せいぎょは、抵抗ていこう制御せいぎょとは異ことなり電流でんりゅうの損失そんしつがほとんどなく、電圧でんあつの制御せいぎょ幅はばも自由じゆう度どが高たかいことが特長とくちょうである。

ところで、"タップ制御せいぎょ車しゃは空転くうてんに強つよい"という俗説ぞくせつがある。タップ制御せいぎょでは”電動でんどう機きが並列へいれつに接続せつぞくされ抵抗ていこうがないため空転くうてんが収束しゅうそくしやすく再さい粘着ねんちゃく性せいに優すぐれる”などという解説かいせつが巷ちまたにあふれているが、これは全面ぜんめん的てきに正ただしいとは言いい難がたい(少すくなくとも上記じょうきの「理由りゆう」は明確めいかくに間違まちがいである)。空転くうてんが発生はっせいした場合ばあい、当然とうぜんにモーターによる逆ぎゃく起電きでん力りょくが急増きゅうぞうし、回路かいろ電流でんりゅうが減へる。自動じどう進しん段だん制御せいぎょの場合ばあいはこれを補おぎなう制御せいぎょが行おこなわれ(抵抗ていこう制御せいぎょ・直ちょく並列へいれつ組合くみあわせ制御せいぎょの場合ばあいは抵抗ていこうが抜ぬかれ)トルクが戻もどり、ますます空転くうてんするという状態じょうたいを繰くり返かえす。進すすむ段だんをしなければ回路かいろ電流でんりゅうは減へり続つづけやがて空転くうてんが収おさまるはずであるが、再さい粘着ねんちゃく時じに回転かいてんが減へることで逆ぎゃく起電きでん力りょくも減少げんしょうするためモーターにかかる電圧でんあつを減げんじない限かぎり再度さいど空転くうてんするはずである。よって空転くうてんを起おこさない程度ていどまで回路かいろ電流でんりゅうを減へらして(ノッチを戻もどして)維持いじしなければ空転くうてんは収おさまらず運転うんてんを継続けいぞくできないが、抵抗ていこう制御せいぎょの場合ばあいは抵抗ていこうがすべて抜ぬけた直列ちょくれつ、直ちょく並列へいれつ、あるいは並列へいれつの最終さいしゅう段だん以外いがいにおいて抵抗ていこう器きの熱容量ねつようりょうによる制限せいげんで連続れんぞく運転うんてんができない。これに対たいし、印加いんか電圧でんあつを直接ちょくせつ制御せいぎょするタップ制御せいぎょでは、どのノッチでも連続れんぞく運転うんてん可能かのうであるため、空転くうてんしない最大さいだいの出力しゅつりょくをかけて運転うんてんすることが容易よういである。この点てんはタップ制御せいぎょ(サイリスタ位相いそう制御せいぎょでも同様どうようではある)の利点りてんであるが、空転くうてん検知けんち能力のうりょくがなく自動じどう進しん段だんを備そなえたタップ制御せいぎょ車しゃを仮定かていすると、上述じょうじゅつの通とおり空転くうてんが始はじまった場合ばあいには自動じどう進しん段だんの抵抗ていこう制御せいぎょ車しゃ同様どうよう収おさまる見込みこみはない。しかしながら、国鉄こくてつの製造せいぞうした交流こうりゅう専用せんよう機関きかん車しゃは全車ぜんしゃ手動しゅどう進しん段だんであるから、空転くうてん時じに勝手かってに進すすむ段だんしてしまうこともない。すなわち、空転くうてんに強つよいという理由りゆうの半分はんぶんは手動しゅどう進しん段だんであることに依よっている訳わけである。

位相いそう制御せいぎょと無電むでん弧こタップ切せつ換かわ[編集へんしゅう]

位相制御による電圧連続制御。制御極に信号電流（トリガ）を流すと整流器がオンになることを利用することで制御している。

位相いそう制御せいぎょによる電圧でんあつ連続れんぞく制御せいぎょ。制御せいぎょ極きょくに信号しんごう電流でんりゅう（トリガ）を流ながすと整流せいりゅう器きがオンになることを利用りようすることで制御せいぎょしている。

サイリスタによる無電弧タップ制御。2組のサイリスタ (T1,T2) を用いて、タップ間の電圧を連続制御する。サイリスタのほか磁気増幅器でも可。

サイリスタによる無電むでん弧こタップ制御せいぎょ。2組くみのサイリスタ (T1,T2) を用もちいて、タップ間あいだの電圧でんあつを連続れんぞく制御せいぎょする。サイリスタのほか磁気じき増幅器ぞうふくきでも可か。

タップ制御せいぎょは電力でんりょく効率こうりつや再さい粘着ねんちゃく性能せいのうに優すぐれる一方いっぽうで、有限ゆうげん個このタップ切せつ換かわによる段階だんかい制御せいぎょであることから、抵抗ていこう制御せいぎょと同様どうように切せつ換かわ時ときのトルク急変きゅうへんが伴ともない、空転くうてんそのものが発生はっせいしにくいわけではない。また、タップ切せつ換かわ時ときには大おおきな電流でんりゅうを切きり入いりするため、タップに電でん弧こ（アーク放電ほうでん）を生しょうじやすく、変圧へんあつ器きを損傷そんしょうしやすい危険きけん性せいを抱かかえている。

これらの問題もんだいは、切きり換かえるタップの電圧でんあつ差さを連続れんぞく的てきに制御せいぎょして、トルクの急変きゅうへんや電でん弧こ発生はっせいを解消かいしょうすることで解決かいけつできる。これを電でん弧こが生しょうじないことから無電むでん弧こタップ制御せいぎょ、またはタップ間あいだ連続れんぞく電圧でんあつ制御せいぎょと呼よび、電圧でんあつの連続れんぞく制御せいぎょには位相いそう制御せいぎょを用もちいる。整流せいりゅう器きに制御せいぎょ極ごく（ゲート）を設もうけると、特定とくていのタイミングで整流せいりゅう器きをオンにできる。この特性とくせいを利用りようし、交流こうりゅう電流でんりゅうの波形はけいに合あわせてオンするタイミングをずらすことにより、平均へいきん電圧でんあつを連続れんぞく的てきに制御せいぎょするのが位相いそう制御せいぎょの仕組しくみである（右上みぎうえ図ず）。

位相いそう制御せいぎょの歴史れきしは比較的ひかくてき古ふるく、1935年ねん（昭和しょうわ10年ねん）には水銀すいぎん整流せいりゅう器きによる格子こうし位相いそう制御せいぎょと組合くみあわせ制御せいぎょを併用へいようした電気でんき機関きかん車しゃがドイツで試作しさくされている。その後ご、第だい二に次じ世界せかい大戦たいせんを挟はさんで、1950年代ねんだいから交流こうりゅう電気でんき車しゃの技術ぎじゅつ開発かいはつが活発かっぱつ化かし、水銀すいぎん整流せいりゅう器きによってタップ間あいだの電圧でんあつを連続れんぞく的てきに制御せいぎょできる車両しゃりょうが開発かいはつされる。この当時とうじは、トランジスタが発明はつめいされ真空しんくう管かんに取とって代かわっていった時代じだいであり、ほどなく水銀すいぎん整流せいりゅう器きも半導体はんどうたい素子そしであるシリコン整流せいりゅう器きへと移行いこうし、安定あんていした性能せいのうが得えられるようになった。その一方いっぽうで、シリコン整流せいりゅう器きは位相いそう制御せいぎょができなかったため、無電むでん弧こタップ切せつ換かわを行おこなうには磁気じき増幅器ぞうふくきの併用へいようを必要ひつようとした。その後ご、制御せいぎょ極付きわめつきのシリコン整流せいりゅう器きであるサイリスタが開発かいはつされ、1960年代ねんだいから電気でんき車しゃの位相いそう制御せいぎょに用もちいられるようになった。

右みぎ下図したずは、サイリスタを二に組くみ用もちいて無電むでん弧こ低圧ていあつタップ切せつ換かわを行おこなう場合ばあいの概念がいねんを示しめしたものである。1段だん目めのタップを投入とうにゅうするとき、サイリスタT1を無む点てん弧こ（出力しゅつりょくゼロ）の状態じょうたいにしておくと、タップに電流でんりゅうが流ながれないため電でん弧こを生しょうじない。次つぎに、サイリスタT1によって位相いそう制御せいぎょを行おこない、1段だん目めのタップ電圧でんあつをゼロから最大さいだいまで制御せいぎょしたのち、2段だん目めのタップをサイリスタT2に投入とうにゅうし同様どうように連続れんぞく位相いそう制御せいぎょを行おこなう。サイリスタT2の電圧でんあつが最大さいだいに達たっすると、T1はすべてT2に包含ほうがんされ電流でんりゅうが流ながれなくなるため、1段だん目めのタップを切きっても電でん弧こはやはり生しょうじない。この要領ようりょうで、二に組くみのサイリスタを交互こうごに用もちいることにより、タップ切せつ換かわで電でん弧こを生しょうじることなく連続れんぞく的てきな電圧でんあつ制御せいぎょが可能かのうとなる。図ずの例れいではサイリスタを用もちいたが、二に組くみの磁気じき増幅器ぞうふくきを用もちいても同様どうようの制御せいぎょが行おこなえる。

サイリスタによる連続れんぞく位相いそう制御せいぎょ[編集へんしゅう]

サイリスタ連続位相制御（4分割、混合ブリッジ）の回路（上）と動作（下）。サイリスタT1からT4まで順に位相制御し、電圧を連続制御する。

サイリスタ連続れんぞく位相いそう制御せいぎょ（4分割ぶんかつ、混合こんごうブリッジ）の回路かいろ（上うえ）と動作どうさ（下した）。サイリスタT1からT4まで順じゅんに位相いそう制御せいぎょし、電圧でんあつを連続れんぞく制御せいぎょする。

JR九州きゅうしゅう783系けい電車でんしゃのサイリスタ連続れんぞく位相いそう制御せいぎょ（純じゅんブリッジ）回路かいろ。界磁制御かいじせいぎょ回路かいろ付つき。

サイリスタの技術ぎじゅつ開発かいはつによって小型こがた軽量けいりょうな半導体はんどうたい素子そしによる連続れんぞく電圧でんあつ制御せいぎょが可能かのうとなると、さらに考かんがえ方かたを一いち歩ほ進すすめて、タップ切せつ換かわ器うつわを敢あえてなくしてしまうことが考かんがえられた。タップ切せつ換かわは機械きかい的てきなスイッチによって行おこなわれるが、これをサイリスタに置おき換かえて完全かんぜんな無む接点せってん化かを実現じつげんし、機器きき構成こうせいの簡素かんそ化か・軽量けいりょう化かや整備せいび性せいの向上こうじょうを図はかるものである。この方式ほうしきを一般いっぱんにサイリスタ連続れんぞく位相いそう制御せいぎょ、あるいは単たんにサイリスタ制御せいぎょと呼よぶ。

右みぎ図ずはサイリスタ連続れんぞく位相いそう制御せいぎょの構成こうせいを示しめしたものである。変圧へんあつ器きの2次じ巻まき線せんを分割ぶんかつしてそれぞれにサイリスタを配置はいちし、ダイオードブリッジを介かいして接続せつぞくするダイオードブリッジに代かえ、サイリスタを順じゅんに位相いそう制御せいぎょすれば、右みぎ図ず下段げだんのように出力しゅつりょく電圧でんあつを連続れんぞく的てきに変化へんかさせることができる。本ほん方式ほうしきにおいて、サイリスタは分割ぶんかつされた2次じ側がわ出力しゅつりょくの位相いそう制御せいぎょを行おこなうとともに、タップスイッチの役目やくめも兼かねており、故障こしょうの原因げんいんとなりやすい機械きかい的てきなスイッチをまったく用もちいないことが特長とくちょうである。図ずは4分割ぶんかつの事例じれいを示しめしたが、容量ようりょうに応おうじて6分割ぶんかつとしたり、出力しゅつりょくの小ちいさい電車でんしゃでは2分割ぶんかつの例れいもある。

また、サイリスタを用もちいた交流こうりゅう電気でんき車しゃは制御せいぎょ回路かいろを逆ぎゃくにして、比較的ひかくてき簡単かんたんに電力でんりょく回生かいせいブレーキが使用しようできる。整流せいりゅう子こ電動でんどう機きを直流ちょくりゅう発電はつでん機きとして用もちい、サイリスタブリッジでインバータ回路かいろを構成こうせいして、得えられた交流こうりゅう電力でんりょくを架線かせんに戻もどす構造こうぞうである。回生かいせいブレーキを使用しようする構成こうせいの場合ばあい、主しゅ回路かいろとは別べつに界さかい磁用の位相いそう制御せいぎょ回路かいろを組くみ、分ぶん巻まき電動でんどう機きを用もちいて界さかい磁を他た励とすることがある。電機でんき子こ電流でんりゅうとは別べつに、界さかい磁を連続れんぞく制御せいぎょすることによって、安定あんていした回生かいせいブレーキや勾配こうばい抑そもそも速そくブレーキにおける定じょう速そく制御せいぎょを実現じつげんしている。

サイリスタ制御せいぎょは優すぐれた特性とくせいを持もつ一方いっぽう、位相いそう制御せいぎょは滑なめらかな正弦せいげん波は（サインカーブ）を途中とちゅうでカットする方法ほうほうであり、出力しゅつりょく電圧でんあつが不連続ふれんぞくで乱みだれた状態じょうたいになる。これによって交流こうりゅう電源でんげんの周波数しゅうはすうとは異ことなる高調こうちょう波はを生しょうじ、変電へんでん所しょや信号しんごう設備せつびなどの地上ちじょう設備せつびに有害ゆうがいな誘導ゆうどう障害しょうがいを引ひき起おこすことがある。位相いそう制御せいぎょを行おこなう無電むでん弧こタップ切せつ換かわも同様どうようであるが、タップ段数だんすうに比くらべてサイリスタ制御せいぎょの2次じ巻まき線せん分割ぶんかつ数すうは少すくなく、波形はけいの乱みだれが大おおきい後者こうしゃの問題もんだいはとりわけ顕著けんちょである。これを防止ぼうしするため、車両しゃりょうや地上ちじょう設備せつびにフィルタを設もうけるなどの処置しょちを必要ひつようとする。

またブリッジ（整流せいりゅう回路かいろ）にはサイリスタとダイオードで構成こうせいされたサイリスタ・ダイオード混合こんごうブリッジと、ブリッジがすべてサイリスタで構成こうせいされたサイリスタ純じゅんブリッジとがあり、後者こうしゃは位相いそう制御せいぎょと整流せいりゅうをまとめて行おこなう方式ほうしきであり、純じゅんサイリスタ制御せいぎょとも呼よばれる^{[註 4]}。

交流こうりゅう電気でんき車しゃと弱よわめ界かい磁の組合くみあわせ[編集へんしゅう]

抵抗ていこう制御せいぎょを用もちいた直流ちょくりゅう電気でんき車しゃでは印加いんか電圧でんあつが最大さいだいに達たっすると弱よわめ界磁制御かいじせいぎょにより中ちゅう高速こうそく域いきのトルク特性とくせいを改善かいぜんするが、同様どうように直流ちょくりゅう整流せいりゅう子こ電動でんどう機きを用もちいる交流こうりゅう電気でんき車しゃでも弱よわめ界かい磁を用もちいることは可能かのうである。しかしながら、電源でんげん電圧でんあつと電動でんどう機き個数こすうの組合くみあわせで最大さいだい印加いんか電圧でんあつが決定けっていする直流ちょくりゅう電気でんき車しゃとは異ことなり、交流こうりゅう電気でんき車しゃでは変圧へんあつ器きの設定せっていで幅広はばひろい電圧でんあつ制御せいぎょが可能かのうであることから、必かならずしも弱よわめ界かい磁を必要ひつようとしない場合ばあいがある。

右みぎ図ずは、抵抗ていこう制御せいぎょと弱よわめ界磁制御かいじせいぎょを用もちいた直流ちょくりゅう電気でんき車しゃ（青あお線せん）と、交流こうりゅう電気でんき車しゃ（赤あか線せん）の速度そくどと牽引けんいん力りょくの関係かんけいを示しめした事例じれいである。一般いっぱんに直流ちょくりゅう電気でんき車しゃは定ていトルク領域りょういき（抵抗ていこう制御せいぎょ）が低ひくい速度そくどで頭打あたまうちとなり、弱よわめ界かい磁により定てい出力しゅつりょく制御せいぎょを行おこなって中ちゅう高速こうそく域いきのトルク特性とくせいを補おぎなうのに対たいし、交流こうりゅう電気でんき車しゃでは比較的ひかくてき高たかい速度そくどまで定ていトルク（電圧でんあつ制御せいぎょ）で制御せいぎょできる。したがって、とくに弱よわめ界かい磁を利用りようしなくても、あるいはわずかに界さかい磁を弱よわめるだけで十分じゅうぶんな高速こうそく性能せいのうが得えられる。初代しょだい新幹線しんかんせん車両しゃりょうである0系けいは定ていトルク領域りょういきを167km/hの高速度こうそくどまで設定せっていし、弱よわめ界かい磁を用もちいない設計せっけいであった。一方いっぽう、さらなる高速こうそく性能せいのうを確保かくほしたい場合ばあいは、弱よわめ界かい磁の併用へいようも有効ゆうこうである^{[註 5]}。

直流ちょくりゅう電気でんき車しゃへのサイリスタの適用てきよう[編集へんしゅう]

サイリスタの登場とうじょうは、直流ちょくりゅう電気でんき車しゃではこれまで一般いっぱんに不可能ふかのうであった、連続れんぞく電圧でんあつ制御せいぎょによる粘着ねんちゃく力りょく特性とくせいの改善かいぜんや低てい損失そんしつ、無む接点せってん化か、また安定あんていした回生かいせいブレーキの使用しようを可能かのうとした。本節ほんぶしでは、サイリスタに代表だいひょうされる半導体はんどうたい素子そしを直流ちょくりゅう電気でんき車しゃの速度そくど制御せいぎょに適用てきようした事例じれいについて述のべる。

直流ちょくりゅう電気でんき車しゃに対たいし主しゅとして用もちいられる制御せいぎょ方式ほうしきがチョッパ制御せいぎょである。これはサイリスタのスイッチング作用さようを直流ちょくりゅう電源でんげんに適用てきようしたもので、交流こうりゅう電気でんき車しゃにおける位相いそう制御せいぎょと同様どうように、連続れんぞく的てきにかつ無む接点せってんで電圧でんあつ制御せいぎょを行おこなうことが可能かのうである。また、直流ちょくりゅう電気でんき車しゃにおいても、容量ようりょうは小ちいさいながら制御せいぎょ用ようの交流こうりゅう電源でんげんを有ゆうしており、これを位相いそう制御せいぎょすることによって界さかい磁を制御せいぎょし、速度そくど制御せいぎょや回生かいせいブレーキに応用おうようする方式ほうしきも用もちいられる。

制御せいぎょ方式ほうしき	電機でんき子こチョッパ制御せいぎょ	界さかい磁チョッパ制御せいぎょ	界さかい磁位相しょう制御せいぎょ	界さかい磁添加てんか励磁れいじ制御せいぎょ	高周波こうしゅうは分ぶん巻まきチョッパ
電化でんか方式ほうしき	直流ちょくりゅう電化でんか（数すう百ひゃくボルトから数すう千せんボルト）
電動でんどう機き	直ちょく巻まき電動でんどう機き	複ふく巻まき電動でんどう機き		直ちょく巻まき電動でんどう機き	分ぶん巻まき電動でんどう機き
定ていトルク制御せいぎょ	チョッパ制御せいぎょ	抵抗ていこう制御せいぎょ・直ちょく並列へいれつ組合くみあわせ制御せいぎょ			チョッパ制御せいぎょ
定てい出力しゅつりょく制御せいぎょ	弱よわめ界磁制御かいじせいぎょ	界さかい磁チョッパ制御せいぎょ	界さかい磁の位相いそう制御せいぎょ		界さかい磁チョッパ制御せいぎょ

チョッパ制御せいぎょの仕組しくみ[編集へんしゅう]

チョッパ制御せいぎょの概念がいねん。高速こうそくでスイッチのオンオフを行おこない、オン時間じかんの長ながさで平均へいきん電圧でんあつを制御せいぎょ。

チョッパとは『切きり刻きざむ』ことを意味いみするchopに由来ゆらいし、電流でんりゅうを切きり刻きざむことによって電圧でんあつ制御せいぎょを行おこなう方法ほうほうである。右みぎ図ずは降圧こうあつチョッパの概念がいねんを示しめしたもので、一定いっていの電圧でんあつで供給きょうきゅうされる直流ちょくりゅう電源でんげんに対たいし、高速こうそくでスイッチのオン・オフを行おこない、スイッチオンとオフの時間じかん比率ひりつを変かえることによって、任意にんいの電圧でんあつに落おとすことができる。すなわち、オンの時間じかんを短みじかく取とれば平均へいきん電圧でんあつは低ひくくなり、逆ぎゃくにオンの時間じかんを長ながくすると高たかい平均へいきん電圧でんあつが得えられる。このように一定いっていの周期しゅうきの中なかで、オンオフの時間じかんを変かえて電圧でんあつを制御せいぎょする方法ほうほうを、パルス幅はば変調へんちょう (PWM) と言いう。

ここでスイッチの役目やくめを果はたすのが、サイリスタをはじめとする半導体はんどうたい素子そしであり、無む接点せってんで高速こうそくなスイッチングを行おこなう。チョッパ制御せいぎょは、交流こうりゅうにおける位相いそう制御せいぎょと同様どうようの作用さようを持もち、電圧でんあつを連続れんぞく的てきに制御せいぎょできる利点りてんを有ゆうしている。

その一方いっぽうで、サイリスタはスイッチオンの動作どうさのみを持もち、電流でんりゅうがゼロになるまでスイッチオンを維持いじする特性とくせいがある。交流こうりゅうを用もちいた位相いそう制御せいぎょでは周期しゅうき的てきに電流でんりゅうがゼロになることから、自然しぜんにスイッチがオフとなるのに対たいし、直流ちょくりゅうを用もちいるチョッパ制御せいぎょでは強制きょうせい的てきにスイッチオフとするための回路かいろが別途べっと必要ひつようとなる。このため、大だい電流でんりゅうを扱あつかうチョッパ装置そうちは、回路かいろ構成こうせいが複雑ふくざつで高価こうかなものとなりがちであった。後のちにPWMを行おこなう素子そしとして登場とうじょうしたGTOサイリスタやIGBTは、スイッチオンに加くわえスイッチオフの動作どうさも合あわせ持もつ半導体はんどうたい素子そしである。

電機でんき子こチョッパ制御せいぎょ[編集へんしゅう]

電機でんき子こチョッパ制御せいぎょの力行りっこう時じ回路かいろ。

同どう回生かいせいブレーキ時じ。回路かいろを昇圧しょうあつチョッパに組くみ替かえる。

電機でんき子こチョッパ制御せいぎょは主しゅ回路かいろにチョッパ制御せいぎょを組くみ入いれた構造こうぞうで、電機でんき子こ電流でんりゅうの電圧でんあつ制御せいぎょをチョッパで行おこなう方式ほうしきである。旧来きゅうらい抵抗ていこう制御せいぎょや直ちょく並列へいれつ組合くみあわせ制御せいぎょにより行いっていた、電動でんどう機きへの印加いんか電圧でんあつの制御せいぎょを降圧こうあつチョッパに置おき換かえ、連続れんぞく的てきに電圧でんあつを制御せいぎょするものである。抵抗ていこうを用もちいないことから損失そんしつが小ちいさく、電圧でんあつを連続れんぞく的てきに制御せいぎょできるため空転くうてんを起おこしにくく、粘着ねんちゃく性能せいのうに優すぐれる。

また、電機でんき子こチョッパ制御せいぎょでは回生かいせいブレーキを有効ゆうこうに利用りようできる利点りてんを有ゆうしている。回生かいせいブレーキは電動でんどう機きをブレーキ時じに発電はつでん機きとして利用りようし、得えられた電力でんりょくを電車でんしゃ線せん（架線かせん等ひとし）に返還へんかんするブレーキ方式ほうしきであり、回生かいせい電圧でんあつは架線かせん電圧でんあつを上回うわまわる必要ひつようがある。直ちょく巻まき整流せいりゅう子こ電動でんどう機きの起電きでん力りょくは回転かいてん速度そくどに比例ひれいするため、回転かいてん速度そくどが低ひくいときは十分じゅうぶんな電圧でんあつが得えられず、旧来きゅうらいの抵抗ていこう制御せいぎょ等とうによる方法ほうほうでは広ひろい速度そくど域いきで回生かいせいブレーキを利用りようすることが困難こんなんであった。これに対たいし電機でんき子こチョッパ制御せいぎょでは、力行りっこう時じの降圧こうあつチョッパ回路かいろを、低ひくい電圧でんあつを高たかくする昇圧しょうあつチョッパに組くみ替かえることが可能かのうであり、低速ていそく時じの起電きでん力りょくが低ひくい場合ばあいでも電圧でんあつを上あげて架線かせんに戻もどすことが可能かのうとなった。

一方いっぽうで、電機でんき子こチョッパは、パワーエレクトロニクスが発展はってん途上とじょうにあった1960年代ねんだいから1970年代ねんだいに実用じつよう化かされたため、

電機でんき子こを流ながれる大おおきな電流でんりゅうを制御せいぎょすることから、装置そうちが大おおがかりで製造せいぞう費用ひようが高たかい。
位相いそう制御せいぎょと同様どうよう、高調こうちょう波はを生しょうじ誘導ゆうどう障害しょうがいを引ひき起おこすことがある。

などの問題もんだいも有ゆうしていた。

また、昇圧しょうあつチョッパの利用りようによって低速ていそく域いきまで回生かいせいブレーキが使用しようできる反面はんめん、高速こうそく域いきでは電動でんどう機きの起電きでん力りょくが架線かせんの電圧でんあつを大おおきく超こえ、回生かいせいブレーキの使用しようが難むずかしくなる問題もんだいも抱かかえていた。このため、電機でんき子こチョッパ制御せいぎょでは一般いっぱんに直ちょく並列へいれつ組合くみあわせ制御せいぎょを行おこなわないが、高たかすぎる回生かいせい電圧でんあつを制御せいぎょするためにブレーキ時じに直ちょく並列へいれつの組くみ替かえを行おこなう構造こうぞうを搭載とうさいした車両しゃりょうもある。

このように、本ほん方式ほうしきは粘着ねんちゃく性能せいのうに優すぐれており、しかも電流でんりゅうの抵抗ていこう損失そんしつを生しょうじない一方いっぽうで、高速こうそく域いきの回生かいせいブレーキに難なんのある方式ほうしきであった。このため、高速こうそく運転うんてんは行おこなわないが、高たかい加速度かそくど（高たかい粘着ねんちゃく性能せいのう）を必要ひつようとし、トンネル内ないの温度おんど上昇じょうしょうを抑制よくせいする必要ひつようのあった地下鉄ちかてつ車両しゃりょうにしばしば用もちいられた。

界磁制御かいじせいぎょへの適用てきよう[編集へんしゅう]

界磁制御かいじせいぎょ方式ほうしきの特徴とくちょう

利点りてん

回生かいせいブレーキ利用りようが可能かのう。
定じょう速そく制御せいぎょが可能かのう。
製造せいぞう費用ひようが比較的ひかくてき低ひくい。
高調こうちょう波はや励磁れいじ音おんの発生はっせいが小ちいさい。

欠点けってん

抵抗ていこう制御せいぎょが基本きほんのため抵抗ていこう損失そんしつがあり、粘着ねんちゃく性能せいのうに劣おとる。
停止ていしまでの回生かいせいブレーキが不可ふか（打うち切きり）。

（電機でんき子こチョッパとの比較ひかく）

主しゅ回路かいろにチョッパ制御せいぎょを適用てきようした電機でんき子こチョッパ制御せいぎょは、直流ちょくりゅう電気でんき車しゃの性能せいのうに変革へんかくをもたらしたが、大だい電流でんりゅうを扱あつかう制御せいぎょ装置そうちが高価こうかなことが問題もんだいであった。そこで、主しゅ回路かいろよりも扱あつかう電流でんりゅうの小ちいさい界さかい磁調整ちょうせい器きに対たいし、サイリスタ等とうの半導体はんどうたい素子そしを適用てきようする方式ほうしきが開発かいはつされた。すなわち、起動きどう時じにおける定ていトルク制御せいぎょは旧来きゅうらいの抵抗ていこう制御せいぎょを踏襲とうしゅうして製造せいぞう費用ひようを抑おさえる一方いっぽう、弱よわめ界磁制御かいじせいぎょやブレーキ時じにおいて界さかい磁を積極せっきょく的てきに制御せいぎょし、幅広はばひろい速度そくど域いきでの回生かいせいブレーキの使用しようや定てい速度そくど制御せいぎょを可能かのうとするものである。

さて、回生かいせいブレーキを扱あつかう場合ばあい、電動でんどう機きが発はっする電圧でんあつが低ひくいと回生かいせい電力でんりょくを架線かせんに戻もどすことができず、高たかすぎる電圧でんあつは電力でんりょく施設しせつを損傷そんしょうしてしまう。このため、電動でんどう機きの発はっする電圧でんあつを一定いっていの幅はばに制御せいぎょしなくてはならない。電動でんどう機きから得えられる電圧でんあつ（ $E\,$ ）は、界さかい磁磁束じそく（ $\phi \,$ ）および回転かいてん数すう（ $n\,$ ）と以下いかの関係かんけいにある。

$E=k\cdot \phi \cdot n$

すなわち、回生かいせい電圧でんあつは界さかい磁の強つよさ（界さかい磁磁束じそく）と速度そくど（回転かいてん数すう）に比例ひれいするため、速度そくどが落おちるにつれて回生かいせい電圧でんあつは低下ていかしてやがて失効しっこうする。電機でんき子こチョッパでは低下ていかした電圧でんあつを昇圧しょうあつチョッパによって高たかめることで、低ひくい速度そくどでの回生かいせいブレーキに対応たいおうしていた。これに対たいし界さかい磁を制御せいぎょする方法ほうほうでは、回転かいてん数すう（ $n\,$ ）の増減ぞうげんに合あわせて、界さかい磁磁束じそく（ $\phi$ ）を変かえることで回生かいせいブレーキを実現じつげんする。つまり、速度そくどが高たかいときは界さかい磁を弱よわめ、速度そくどが低ひくくなると界さかい磁を強つよめて、幅広はばひろい速度そくど域いきで一定いってい幅はばの電圧でんあつを得える。ただし、界さかい磁の制御せいぎょだけでは限界げんかいがあり、ある速度そくど（一般いっぱんに15km/hから30km/h程度ていど）を下回したまわると十分じゅうぶんな回生かいせい電圧でんあつが得えられなくなり、空気くうきブレーキ等とうに切きり替かえられる。

界さかい磁を自由じゆうに変化へんかさせるには、電機でんき子こと界さかい磁が直列ちょくれつの直ちょく巻まき電動でんどう機きよりも、電機でんき子こと界さかい磁が独立どくりつした分ぶん巻まき電動でんどう機きが適てきしている。その一方いっぽうで、起動きどうから力行りっこうにいたる速度そくど制御せいぎょには直ちょく巻まき電動でんどう機きが適てきしているため、直ちょく巻まきと分ぶん巻まきの特性とくせいを合あわせ持もつ複ふく巻まき電動でんどう機きを用もちいたり、力行りっこう時じと回生かいせい時じで界さかい磁の特性とくせいを直ちょく巻まき・分ふん巻まきに使つかい分わける制御せいぎょなどが行おこなわれる。また直ちょく巻まき電動でんどう機きの界さかい磁を別電べつでん源げんで駆動くどう・制御せいぎょすれば電気でんき的てきには分ぶん巻まき特性とくせいに当あたり、全ぜん電圧でんあつを印加いんかする元々もともとの分ぶん巻まきコイルよりもインダクタンスが桁外けたはずれに低ひくく、時とき定数ていすうが小ちいさくなるので制御せいぎょ系けいとしては高速こうそく応答おうとうになり安定あんてい動作どうさとなる。

代表だいひょう的てきな方式ほうしきとして、次つぎの3方式ほうしきが挙あげられる。これらの方式ほうしきは抵抗ていこう制御せいぎょを基本きほんとするため抵抗ていこう損失そんしつは避さけられないが、安価あんかに回生かいせいブレーキを実現じつげんできるため、多おおくの電車でんしゃに採用さいようされた。

界さかい磁位相しょう制御せいぎょ: 電動でんどう機きとして直ちょく巻まき界かい磁と分ぶん巻まき界かい磁の二ふたつを持もつ複ふく巻まき電動でんどう機き^{[註 6]}を使用しようし、分ぶん巻まき界かい磁は補助ほじょ電源でんげんによって他た励方式しきとするのが特徴とくちょうである。このため他た励界磁制御かいじせいぎょとも呼よばれる。補助ほじょ電源でんげんは、制御せいぎょ機器ききの動作どうさや空調くうちょう機器ききなどに使つかわれるもので、直流ちょくりゅう電気でんき車しゃであっても一般いっぱんに三さん相そう交流こうりゅうで供給きょうきゅうされる。この三さん相そう交流こうりゅう電源でんげんを励磁れいじ装置そうちによって位相いそう制御せいぎょすることにより、分ぶん巻まき界かい磁の連続れんぞく制御せいぎょを行おこなう。; 励磁れいじ装置そうちには一般いっぱんにサイリスタ等とうが用もちいられるが、これら半導体はんどうたい素子そしの登場とうじょう以前いぜんにも磁気じき増幅器ぞうふくきで位相いそう制御せいぎょし、本ほん方式ほうしきを採用さいようした車輌しゃりょうもある。
界さかい磁チョッパ制御せいぎょ: 界さかい磁位相しょう制御せいぎょと同様どうように複ふく巻まき電動でんどう機きを用もちいるが、本ほん方式ほうしきは分ぶん巻まき界かい磁を直ちょく巻まき界かい磁と並列へいれつに配置はいちする点てんが特徴とくちょうである。分ぶん巻まき界かい磁を流ながれる直流ちょくりゅう電流でんりゅうをチョッパ制御せいぎょすることで、界さかい磁の連続れんぞく制御せいぎょを行おこなう方式ほうしきである。他たの方式ほうしきと同様どうよう、抵抗ていこう制御せいぎょで起動きどうし、界さかい磁の連続れんぞく制御せいぎょは弱よわめ界磁制御かいじせいぎょや回生かいせいブレーキ時じに用もちいられる。; チョッパ制御せいぎょ登場とうじょう以前いぜんに、可変かへん抵抗ていこうにより分ぶん巻まき界かい磁の界さかい磁調整ちょうせいを行おこなう方式ほうしきが存在そんざいし、本ほん方式ほうしきはこれを電力でんりょく用よう半導体はんどうたい素子そしに置おき換かえたものと言いえる。旧来きゅうらいの界さかい磁調整ちょうせい器きに比くらべ保守ほしゅ性せい・応答おうとう性せいの面めんで有利ゆうりであり、電機でんき子こチョッパに比くらべても回路かいろが安価あんかであったことから、多数たすうの採用さいよう例れいがある。; 一方いっぽう、複ふく巻まき電動でんどう機きは構造こうぞうが複雑ふくざつで、負荷ふかや架線かせん電圧でんあつの変動へんどうに弱よわく、保守ほしゅに手間てまがかかるという難点なんてんを合あわせ持もっていた。
界さかい磁添加てんか励磁れいじ制御せいぎょ: 他たの方式ほうしきと異ことなり、製造せいぞう費用ひよう・保守ほしゅ面めんで有利ゆうりな直ちょく巻まき電動でんどう機きを用もちいることが特徴とくちょうである。直ちょく巻まき界かい磁に分流ぶんりゅう回路かいろを設もうけるとともに、補助ほじょ電源でんげんによる励磁れいじ装置そうちから直ちょく巻まき界かい磁に電流でんりゅうを添加てんかして界さかい磁の連続れんぞく制御せいぎょを行おこなう。励磁れいじ装置そうちは、一般いっぱんに三さん相そう交流こうりゅうの補助ほじょ電源でんげんを位相いそう制御せいぎょするが、直流ちょくりゅうの補助ほじょ電源でんげんからDC-DCコンバータとして動作どうさする形式けいしきもある。; 力行りっこう時じは抵抗ていこう制御せいぎょにより起動きどうし、弱よわめ界磁制御かいじせいぎょ域いきに達たっすると誘導ゆうどうコイルに電流でんりゅうを分流ぶんりゅうさせるとともに、励磁れいじ装置そうちから分流ぶんりゅう回路かいろとは逆ぎゃく向むきの電流でんりゅうを添加てんかする。この電流でんりゅうを徐々じょじょに弱よわめていくと直ちょく巻まき界かい磁の電流でんりゅうが減少げんしょうし、連続れんぞく的てきな弱よわめ界磁制御かいじせいぎょを行おこなうことができる。; 一方いっぽう、回生かいせいブレーキ時じにおいては、バイパスダイオードによって電機でんき子こ電流でんりゅうはすべて誘導ゆうどうコイルに流ながれる。直ちょく巻まき界かい磁には励磁れいじ装置そうちからの電流でんりゅうのみが流ながれ、直ちょく巻まき電動でんどう機きでありながら非常ひじょうに高速こうそく応答おうとうの界さかい磁を持もつ分ぶん巻まき電動でんどう機きとして制御せいぎょでき、幅広はばひろい速度そくどでの安定あんていした回生かいせいブレーキを可能かのうにしている。


界さかい磁添加てんか励磁れいじ制御せいぎょの回路かいろ図ず。力行りっこう（全ぜん界さかい磁）。抵抗ていこう制御せいぎょで起動きどうする。		力行りっこう（弱よわめ界かい磁）。速度そくどが上昇じょうしょうすると添加てんか電流でんりゅうを連続れんぞく制御せいぎょして弱よわめ界かい磁を行おこなう。		回生かいせいブレーキ。速度そくどの変化へんかに合あわせて界さかい磁を連続れんぞく制御せいぎょする。

電機でんき子こチョッパ制御せいぎょが地下鉄ちかてつ車輌しゃりょうを中心ちゅうしんに用もちいられたのに対たいし、これらの手法しゅほうは高速こうそく運転うんてんを行おこなう郊外こうがい電車でんしゃや優等ゆうとう列車れっしゃに用もちいられた。高速こうそく電車でんしゃにおいては、界磁制御かいじせいぎょ領域りょういきが広ひろいため抵抗ていこう損失そんしつの影響えいきょうは軽微けいびである一方いっぽう、回生かいせい電力でんりょくは速度そくどの二に乗じょうに比例ひれいするため、高速こうそく域いきでの回生かいせいブレーキ性能せいのうに優すぐれる本ほん方式ほうしきが一般いっぱんに有利ゆうりとなる。

VVVFインバータ制御せいぎょ[編集へんしゅう]

交流こうりゅう電動でんどう機きを、その特性とくせいに合あわせて任意にんいの速度そくど、回転かいてん数すうで動作どうささせるために、（静止せいし）インバータにより任意にんいの周波数しゅうはすうと電圧でんあつを発生はっせいさせる方式ほうしきを一般いっぱんに「インバータ方式ほうしき」というが、鉄道てつどう業界ぎょうかい関係かんけいではそれを「電圧でんあつ-周波数しゅうはすう比例ひれい制御せいぎょ」として特とくに「VVVFインバータ方式ほうしき」、あるいは「VVVF方式ほうしき=可変かへん電圧でんあつ可変かへん周波数しゅうはすう制御せいぎょ方式ほうしき」と呼よんでいる。VVVFという単語たんごは、可変かへん電圧でんあつ可変かへん周波数しゅうはすうを直訳ちょくやくした和製わせい英語えいごである。

交流こうりゅうの周波数しゅうはすう（同期どうき速度そくど）を追おって回まわる交流こうりゅうモータを使つかう場合ばあい、従前じゅうぜんは任意にんい周波数しゅうはすうの電源でんげんがなかなか得えられず、商用しょうよう周波数しゅうはすう (50Hzへるつ、60Hzへるつ) 固定こていの電源でんげんで起動きどうさせるため、任意にんい速度そくどでの運転うんてんができず商用しょうよう周波数しゅうはすうでの同期どうき速度そくど付近ふきんでのみ運転うんてん可能かのうで、起動きどうトルクが小ちいさかったり、効率こうりつを落おとしたり、定常ていじょう運転うんてん時じは大だい出力しゅつりょく交流こうりゅうモータを軽けい負荷ふかで使つかっていた。そうした経過けいかで従前じゅうぜんは、その動作どうさ特性とくせいも、取とり扱あつかい法ほうも商用しょうよう周波数しゅうはすう固定こていでのものが広ひろく知しられているだけで、回転かいてん数すう、周波数しゅうはすう特性とくせいはほとんど記述きじゅつが無むく知しられていなかった。

同期どうき速度そくどとは回転かいてん磁界じかいの速度そくどで、電機でんき子こ構造こうぞうが2・P極きょくの場合ばあい、周波数しゅうはすうf/Pとなる。小型こがた機きに一般いっぱん的てきな4極きょく構造こうぞうではf/(4/2) が同期どうき速度そくど。60Hzへるつであれば2極きょくで60rps（毎秒まいびょう回転かいてん数すう）、4極きょくで30rps、6極きょくで20rpsが同期どうき速度そくどである。60を掛かける記述きじゅつは秒速びょうそく-分ぶん速そく単位たんい換算かんさんのrpm（毎まい分ぶん回転かいてん数すう）表示ひょうじである。

トルクの電圧でんあつ・周波数しゅうはすう特性とくせい[編集へんしゅう]

トルクの周波数しゅうはすう特性とくせいとしては、（電圧でんあつV/周波数しゅうはすうf）² に比例ひれいし、さらに誘導ゆうどう電動でんどう機きでは、停とま動どうトルクより微少びしょうな場合ばあいはスベリ周波数しゅうはすうｆ_s に比例ひれいする（一般いっぱん的てきな「すべり率りつS」ではなく「すべり周波数しゅうはすうｆ_s 」であることに注意ちゅうい）。同期どうき電動でんどう機きでは電機でんき子こ磁界じかいと回転子かいてんし磁界じかいの角度かくどδでるたに関かんして sin(δでるた/2) に比例ひれいする。これを式しきで表現ひょうげんすれば、

$T=k_{1}\phi I\fallingdotseq k_{2}(V/f)^{2}f_{s}$

ここに、 $k_{1},k_{2}$ は比例ひれい定数ていすう、Iは電機でんき子こ電流でんりゅう、 $\phi$ は鎖くさり交総磁束じそく、Vは電圧でんあつ、fは電源でんげん周波数しゅうはすう、 $f_{s}$ はすべり周波数しゅうはすうである。すなわち V/f を一定いっていにして（=電圧でんあつと周波数しゅうはすうを比例ひれいさせて）ゼロから徐々じょじょに増ふやして起動きどうすればよく、周波数しゅうはすうに応おうじた任意にんいの速度そくどでの運転うんてんができる。

任意にんい周波数しゅうはすう電源でんげんをパワー半導体はんどうたいで構成こうせい[編集へんしゅう]

近年きんねんの電力でんりょく用よう半導体はんどうたいの進歩しんぽにより、任意にんい周波数しゅうはすう、任意にんい電圧でんあつの交流こうりゅう電力でんりょくを生成せいせいするインバータ（直流ちょくりゅう-交流こうりゅう変換へんかん器き）が得えられるようになり、交流こうりゅうモータの特性とくせいに合あわせて、電機でんき子こ誘さそえ起おこり起電きでん力りょく+インピーダンス降下こうかの電圧でんあつを供給きょうきゅうして駆動くどうすることで任意にんいの速度そくどで運転うんてんできるようになった。電機でんき子こ誘導ゆうどう起電きでん力りょくは磁界じかいが一定いっていであれば回転かいてん数すう、すなわち周波数しゅうはすうに比例ひれいするから、供給きょうきゅう電圧でんあつ／周波数しゅうはすうをほぼ一定いっていにして速度そくど制御せいぎょすることがVVVFインバータ制御せいぎょの基本きほんである。

鉄道てつどう車両しゃりょうでは[編集へんしゅう]

鉄道てつどう車両しゃりょうではこの電圧でんあつ・周波数しゅうはすう比例ひれい領域りょういき（V/f一定いってい領域りょういき）を特とくに「VVVF領域りょういき（=可変かへん電圧でんあつ可変かへん周波数しゅうはすう領域りょういき）」と呼よんでいる。インバータの最大さいだい電圧でんあつ以降いこうの高速こうそく領域りょういきは電圧でんあつ一定いっていで周波数しゅうはすうを上あげるので「CVVF領域りょういき（=定てい電圧でんあつ可変かへん周波数しゅうはすう領域りょういき）」と呼よぶが、CVVF領域りょういきのうち、電流でんりゅう一定いっていで加速かそくを続つづける領域りょういきは、誘導ゆうどう電動でんどう機きであればスベリ周波数しゅうはすうを増ふやして加速かそくするが供給きょうきゅう電力でんりょくとしては一定いってい（=電圧でんあつ一定いってい×電流でんりゅう一定いってい）なので「定てい電力でんりょく領域りょういき」と呼よび、トルクは回転かいてん速度そくどに反比例はんぴれいする。停とま動どうトルク（脱出だっしゅつトルク）に近ちかづくとスベリは増ふやせなくなり周波数しゅうはすうのみを増ふやす「特性とくせい領域りょういき」となり、トルクは回転かいてん速度そくどの2乗じょうに反比例はんぴれいする。これは、V/f一定いってい・すべり周波数しゅうはすう制御せいぎょと呼よばれている。

近年きんねんでは更さらに瞬時しゅんじ変化へんかの過渡かと応答おうとう特性とくせいの改善かいぜんのためベクトル制御せいぎょを加くわえている。空転くうてんや滑走かっそうなど急激きゅうげきな負荷ふかの変化へんかに対たいしスベリ周波数しゅうはすう制御せいぎょだけで追従ついしょう制御せいぎょしたのでは整せい定時ていじ間あいだが大おおきく掛かかり、加速かそく、減速げんそくが鈍にぶくなってしまう。これを高速こうそく演算えんざんで最適さいてき位置いちに駆動くどう磁界じかいを作つくることで応答おうとう遅延ちえんを防ふせぐ過渡かと状態じょうたい収束しゅうそく制御せいぎょである。

同期どうき電動でんどう機きの場合ばあいは、すべりはゼロで、回転かいてん磁界じかいと回転子かいてんし磁界じかいの遅おくれ角かくδでるたの半角はんかくの正弦せいげんに比例ひれいしたトルクを生しょうずる。最大さいだい電圧でんあつ到達とうたつ以降いこうはそのままでは電動でんどう機き誘さそえ起電きでん圧あつが速度そくどに比例ひれいして過電圧かでんあつとなり、直流ちょくりゅう励磁れいじ型がた同期どうき電動でんどう機きでは速度そくどに反比例はんぴれいで励磁れいじ磁束じそくを減へらす調整ちょうせいが求もとめられる。

永久えいきゅう磁石じしゃく同期どうき電動でんどう機き (PMSM) の場合ばあいは、電機でんき子こ反作用はんさよう(直ちょく軸じく反作用はんさよう)を利用りようして永久えいきゅう磁石じしゃくによる鎖くさり交磁束じそくを減げんじることで、誘さそえ起電きでん圧あつの上昇じょうしょうが抑制よくせいされる(弱よわめ磁束じそく制御せいぎょ)。PMSMでは、電機でんき子こ反作用はんさようによる進すすみ電流でんりゅうでリラクタンストルクが増加ぞうかするため、誘導ゆうどうモーターと同様どうようにCVVF領域りょういきでの定てい出力しゅつりょく運転うんてんが可能かのうとなる。

なおIPMSMでは、必要ひつように応おうじて惰行運転うんてん中ちゅうにも弱よわめ磁束じそく制御せいぎょが行おこなわれる。この制御せいぎょは同機どうき調ちょう相しょう機きにおける減げん磁作用ようと同おなじ運転うんてん状態じょうたいであり、力ちから率りつが0％となる。そのため、モーター電流でんりゅうの増減ぞうげんに関かかわらず力行りっこう・制動せいどうトルクは一切いっさい発生はっせいしない。

直流ちょくりゅう電動でんどう機き制御せいぎょとの比較ひかく[編集へんしゅう]

直流ちょくりゅう電動でんどう機き制御せいぎょとの比較ひかくでいえば、「電機でんき子こ誘導ゆうどう起電きでん力りょく（=逆ぎゃく起電きでん力りょく）+内部ないぶ抵抗ていこう降下こうか」を直流ちょくりゅう電動でんどう機きに加くわえて起動きどうさせるのが抵抗ていこう制御せいぎょやチョッパ制御せいぎょの基本きほんだから、VVVFインバータ制御せいぎょはその制御せいぎょに周波数しゅうはすうと位相いそうが加くわわるだけで基本きほんは同様どうようである。「定てい電力でんりょく領域りょういき」と「特性とくせい領域りょういき」についても直流ちょくりゅう電動でんどう機きの「弱じゃく界かい磁領域りょういき=定てい電力でんりょく領域りょういき」「特性とくせい領域りょういき」と変かわらない。またVVVF領域りょういきも定ていトルクに制御せいぎょすれば抵抗ていこう制御せいぎょ直流ちょくりゅう電動でんどう機きでの「定ていトルク領域りょういき」と同様どうようである。

鉄道てつどうでは折おれ点てんを合あわせてVVVF制御せいぎょ車しゃと抵抗ていこう制御せいぎょ車しゃを併結運転うんてんしている例れいもある。

インバータの制御せいぎょ対象たいしょう[編集へんしゅう]

インバータ制御せいぎょの対象たいしょうとなる鉄道てつどう用よう交流こうりゅうモータは、かご形がた誘導ゆうどう電動でんどう機きが一般いっぱん的てきだが、TGVなどでは電磁石でんじしゃく同期どうき電動でんどう機きが用もちいられていることもあった（新あたらしい車両しゃりょうでは誘導ゆうどう電動でんどう機きが採用さいようされている）。ともに回転かいてん磁界じかいを直じかに作つくれる三さん相そう交流こうりゅう式しきである。誘導ゆうどう電動でんどう機きのすべり率りつSは回転子かいてんしでの電力でんりょく損そん割合わりあいなので、定ていスベリ周波数しゅうはすう制御せいぎょをすると低速ていそく回転かいてんほど損失そんしつ率りつが増ふえ効率こうりつが下さがるので、低速ていそく回転かいてんになる直接ちょくせつ駆動くどうモーター (DDM) ではスベリ回転かいてんのない同期どうき電動でんどう機きが選えらばれることが多おおい。しかしながら低速ていそく回転かいてん電動でんどう機きのため重量じゅうりょうが嵩かさみ、新幹線しんかんせん保守ほしゅの経験けいけんから「線路せんろ損傷そんしょうが軸じく重じゅうの4乗じょうと速度そくどの2乗じょうに比例ひれいする」ことが分わかり、回生かいせい制動せいどう技術ぎじゅつも発達はったつしたこともあって、JR東日本ひがしにっぽんの試作しさく車しゃE993系けい、量産りょうさん車しゃ先行せんこう車しゃE331系けい1編成へんせい(=7両りょう編成へんせい×2：14両りょう)と試用しよう車両しゃりょうに留とまり、量産りょうさん車しゃは作つくられないまま一般いっぱん方式ほうしきの次世代じせだい車しゃであるE233系けいが投入とうにゅうされた。

交流こうりゅう直流ちょくりゅう両用りょうよう車両しゃりょう[編集へんしゅう]

交流こうりゅう電化でんか区間くかんと直流ちょくりゅう電化でんか区間くかんを直通ちょくつうする列車れっしゃは、当初とうしょはその境界きょうかいで機関きかん車しゃを付つけ替かえ両りょう区間くかん直通ちょくつうしていた。北陸本線ほくりくほんせん米原まいばら駅えき - 田村たむら駅えき間あいだでは当初とうしょ、交流こうりゅう直流ちょくりゅうの間あいだを蒸気じょうき機関きかん車しゃ牽引けんいんで繋つなぐ間接かんせつ切替きりかえ方式ほうしきがとられたほか、黒磯くろいそ駅えきなどでは駅えき構内こうないで架線かせんへの給電きゅうでんを切きり換かえる地上ちじょう切替きりかえ方式ほうしきがとられたが、列車れっしゃの高速こうそく化か要求ようきゅうに伴ともない、交直両りょう区間くかんに電流でんりゅうが通とおらないデッドセクションを設もうけてその区間くかんを走行そうこう中ちゅうに車くるま上じょう切替きりかえ方式ほうしきに移行いこうし、これを直通ちょくつうできる「交直両用りょうよう」車両しゃりょうが開発かいはつされた。

その構造こうぞうは、基本きほん的てきには直流ちょくりゅう車両しゃりょうに直流ちょくりゅう変電へんでん設備せつびを乗のせて、切きり換かえて使つかうものであり、走行そうこう特性とくせいとしては直流ちょくりゅう車両しゃりょうに準じゅんじる。

シリコン整流せいりゅう器き式しき[編集へんしゅう]

直流ちょくりゅう用ようの新しん性能せいのう電車でんしゃの構造こうぞうを基本きほん構造こうぞうとしてトランスとシリコン整流せいりゅう器きを搭載とうさいした車両しゃりょうが常磐ときわ線せんと関門かんもんトンネル運用うんようを含ふくむ鹿児島かごしま本線ほんせんに投入とうにゅうされた。当初とうしょは電源でんげん周波数しゅうはすう毎ごとに別べつ形式けいしきとして投入とうにゅうされたが、長距離ちょうきょり用よう車両しゃりょうから50/60Hzへるつ両りょう周波数しゅうはすう共用きょうよう形式けいしきとなった。基本きほん的てきな走行そうこう装置そうちは低ひくい周波数しゅうはすうの50Hzへるつに対応たいおうしていれば60Hzへるつ兼用けんようにでき、周辺しゅうへん装置そうちの共用きょうよう化かで3電源でんげん化かしたことで大阪おおさか - 青森あおもり間あいだ特急とっきゅう「白鳥はくちょう」などが運行うんこうされた。シリコン整流せいりゅう器きでは回生かいせい制動せいどうが不可能ふかのうだが、当初とうしょの新しん性能せいのう電車でんしゃは発電はつでん制動せいどう方式ほうしきのみ採用さいようしていたので支障ししょうはなかった。

PWMコンバータ式しき[編集へんしゅう]

ところが、VVVFインバータ制御せいぎょ車両しゃりょうになると、整流せいりゅう部ぶに可逆かぎゃく性せいのある (PWM) コンバータを採用さいようして、高力こうりき率りつで広範こうはんに回生かいせい制動せいどうを可能かのうにして効率こうりつ改善かいぜんを図はかると共ともに、交流こうりゅう専用せんよう車両しゃりょうに匹敵ひってきする高たかい粘着ねんちゃく力りょくを利用りようでき、高こう加速度かそくど、高こう減速げんそく度ど、そして編成へんせいの中なかに組くみ入いれられる電動でんどう車しゃを減へらせるようになった。

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

^ 内燃ないねん機関きかんを発電はつでんのみに利用りようする電気でんき式しき動力どうりょく車しゃは、走はしり装置そうちが電気でんき車しゃと同おなじであり、変速へんそく機きやクラッチは必要ひつようない。
^ 電力でんりょく回生かいせいブレーキにはVμみゅーを1700〜1800ボルト程度ていどに維持いじすることが必要ひつようだが、単純たんじゅんな抵抗ていこう制御せいぎょの場合ばあい確保かくほできず、原理げんり上じょう可能かのうではあるが実用じつよう的てきではない。
^ ノコギリ運転うんてん - 目標もくひょう速度そくどに達たっしたところでノッチオフし、速度そくどがある程度ていど下さがると再さい加速かそくを行おこなう運転うんてん方法ほうほう。速度そくどと時間じかんをグラフにするとノコギリの歯はのようなギザギザな線せんを描えがくことからこの名ながある。特定とくていの速度そくど領域りょういきで連続れんぞく力行りっこうできない場合ばあいに行おこなう。
^ 『電気でんき鉄道てつどう技術ぎじゅつ入門にゅうもん』オおーム社むしゃ、2008年ねん、p.65-p.67頁ぺーじ。ISBN 9784274501920。
^ 新幹線しんかんせん0系けい電車でんしゃの後継こうけいである100系けいも同様どうように弱よわめ界かい磁を用もちいない設計せっけいであったが、270km/h運行うんこうを目指めざしたグランドひかり編成へんせい（100N系けい）では高速こうそく性能せいのう向上こうじょうのため80%の弱よわめ界かい磁を追加ついかした。
^ 一部いちぶには直ちょく巻まき電動でんどう機きを使用しようする界さかい磁位相しょう制御せいぎょ方式ほうしきもある。

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

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石井いしい幸孝ゆきたか『入門にゅうもん鉄道てつどう車両しゃりょう』交友こうゆう社しゃ、1970年ねん、6 - 53頁ぺーじ。
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宮上みやうえ行ゆき生せい、岡本おかもと研一けんいち、沢さわ邦彦くにひこ『直流ちょくりゅう電車でんしゃ用ようサイリスタチョッパ制御せいぎょ装置そうち』富士ふじ時報じほう第だい43巻かん第だい2号ごう（1970年ねん） 205 - 213頁ぺーじ。
『電気でんき鉄道てつどうハンドブック』同どう編集へんしゅう委員いいん会かいコロナ社しゃ2007年ねん2月がつ刊かん（電気でんき学会がっかい）
『インバータ制御せいぎょ電車でんしゃ概論がいろん』飯田いいだ秀樹ひでき・加か我わが敦あつし著ちょ、電気でんき車しゃ研究けんきゅう会かい2003年ねん8月がつ刊かん（新しん京成けいせい8800型がた開発かいはつ者しゃ）