電機子チョッパ制御
電機子チョッパ制御(でんきしチョッパせいぎょ)とは、鉄道車両において、直流電動機の制御を行う方式の一つで、直流電圧を高速度でスイッチングして切り刻む(チョップする)「チョッパ回路」を主回路(主電動機の電機子回路)に接続して電圧制御を行うもので、主回路チョッパ制御といわれることもある。単にチョッパ制御、もしくはサイリスタチョッパ制御というと、通常この方式をいう場合が多い。チョッパ回路、採用車両についてはチョッパ制御の項を参照のこと。なお、電機子電流と界磁電流を独立して制御する方式を、「高周波分巻チョッパ制御」(4象限チョッパ制御)と区別する場合もある。本項ではそれについても解説する。
本方式には以下のような特徴がある。
高速域から低速域まで安定した回生ブレーキが使用可能であり、エネルギー消費量を減少できるほか、発電ブレーキ用抵抗器を搭載しないですむため、車両の軽量化が可能となる。回路が昇圧チョッパを構成するために、高速側では電圧が上がりすぎるため使用が限定され、電流を絞って回生電圧を下げる、回生時に強め界磁制御を行わない、直列に抵抗器を挿入して電圧降下を利用するなどの手法が取られる。
抵抗制御系の制御方法とは違い段階のない無段階制御が可能であるため、粘着性能を向上させることが可能である。よって、同一加速性能であれば、動力車比率(MT比)を低下させることが可能である。
半導体素子を使った制御方式であるので、抵抗制御に用いられる在来型制御器のような機械的な摺動部や接点が無い。よって保守作業の手間を容易にすることが可能である。無整流子電動機と組み合わせると、主電動機のメンテナンスフリー化も同時に達成できる。
抵抗制御の場合特に起動時に電力損失を発生させるが、本方式では電力損失を低減することが可能である(従って、起動頻度が少なくなる優等列車運用では相対的にその利点が小さくなる)。
これは本方式における最大の欠点である。本方式が多用された1970年代前半から1980年代後半の段階では、鉄道車両のような大きな電力を制御するための半導体機器が未発達な状態であり、価格も高価であった。
加速・減速時には一定の周波数で「プー」という特徴的な音が鳴る。これは高速で電源を入切した際の磁歪による振動音である。例えば、A4、「ラ」の音が鳴っている車両では、約440 Hzで電源直流電圧を細かく入切していることとなる。
1963年にドイツのシーメンス社により世界初のチョッパ制御を搭載した蓄電池機関車が、1965年に架線式のチョッパ制御機関車がそれぞれ完成した。
1969年にイタリアのミラノ地下鉄で力行のみのチョッパ制御車が完成。1972年にはフランス・パリ地下鉄で同国初の回生ブレーキ付きチョッパ制御車が運行を開始した。
この制御装置は、扱う出力の大きさに対して発熱が少ないことから、地下トンネル内での車両抵抗器から出る排熱による温度上昇に頭を悩ませていた日本では、帝都高速度交通営団(営団地下鉄、現在の東京地下鉄)が1960年代から積極的に試験を行っていた。1965年(昭和40年)9月に荻窪線分岐線(現在の丸ノ内線方南町支線)において三菱電機製の機器を2000形2121の床上に搭載して直流600Vにおいて試験が実施され、これが日本で初の実車試験とされている。その後は1966年(昭和41年)4月から5月にかけて日比谷線において3000系3035を使用して三菱電機ならびに日立製作所製の機器を使用して直流1,500V下において試験が実施された。この頃には阪神電気鉄道(阪神)、日本国有鉄道(国鉄)、都営地下鉄でも試験が実施されている。
この制御装置を日本で初めて営業運転用に用いたのは阪神7001・7101形電車(1970年)であった。しかし回生ブレーキを搭載しておらず、力行専用のチョッパ装置であった。これは阪神が主回路の無接点化による省メンテナンス性を目的としてこの装置を採用したためである。
一方、本方式の回生ブレーキは、1967年(昭和42年)4月に東洋電機製造が、同社製サイリスタと高速度遮断器を用い、都営地下鉄浅草線5000形に85 kW直巻電動機4台制御の回生・分巻界磁式チョッパ制御装置を仮設し現車試験を実施し、国内初のチョッパによる回生制御試験に成功した。
世界で最初に回生ブレーキを実用化したのは、営団6000系電車第1次試作車で、1968年(昭和43年)のことである。導入の主目的は、相次ぐ増発や地下水量の低下などで上昇していたトンネル内の温度に鑑み、抵抗器の発熱を抑制するためであった。
日本初の営業運転された電機子チョッパ車という栄誉こそ阪神7001・7101形電車に譲ったものの、営団6000系電車は第1次試作車での充分な試験を経て1971年3月の営団千代田線2期線開業に合わせて量産車の営業運転が開始された。
この後営団は本方式を標準とし、界磁抵抗を廃したAVF(自動可変界磁制御: Automatic Variable Field Control)式チョッパ制御(7000系で実用化)、さらに4象限チョッパ(高周波分巻チョッパ)へと改良を加え発展させながら長期間にわたって採用し続けた。
その後、オイルショックの洗礼を受けた緊縮経済下において、むしろ高効率の電力回生による省電力化性能が強く希求されるようになり、営団を筆頭とした日本全国の公営地下鉄に続き、当時の国鉄も省エネ電車としての201系、併せて前述の6000系同様のトンネル内放熱抑制を狙った常磐緩行線・営団千代田線直通用の203系を製造したが、後の205系では安価な界磁添加励磁制御に方向転換した。また、一部の大手私鉄でも国鉄と同じく高性能化と省エネの両立を狙って試作車を製造した。
しかし高速域からの減速時に発生電圧過大で回生失効が起きやすいことと高価な大容量・高耐圧のスイッチング素子を必要とし車両製作費が高騰したことから、特に高加減速性能を重視し得られる省エネ効果が大きかった阪神電気鉄道の「ジェットカー」5131形・5331形、および千代田線同様に直通地下鉄線区における放熱抑止と高効率を狙った東武鉄道の9000系・20000系(複巻電動機を使用したAFE (自動界磁励磁制御: Automatic Field Excite Control) 式主回路チョッパ制御)のほかは本格導入に至らず、安価に回生ブレーキが使用できる(力行時全界磁定格速度まで抵抗制御の)界磁チョッパ制御を採用する場合が多かった。
1990年代に入ってブラシレスの交流電動機(かご形三相誘導電動機)を使用するVVVFインバータ制御が価格、性能的に安定すると、保守省力化や運用経費において直流電動機に対し大きく優位となり、積極的に電機子チョッパ制御を導入していた営団も9000系以降ではVVVFインバータ制御を本格採用し、2000年代以降は既存の電機子チョッパ制御車両からの改造や置き換えを進められた。
2015年4月現在、日本における最も直近の製作例は、東京都交通局10-000形電車第27・28編成と京都市交通局10系電車第18 - 20編成(いずれも1997年)であるが、前者は既に廃車され現存せず、後者もVVVFインバータ制御に機器更新された。
なお、同年2月には800形(2代)の813・814号車が製作されており、これらは2023年1月現在も電機子チョッパ制御のまま稼働中である。
高周波分巻チョッパ制御(こうしゅうはぶんまきチョッパせいぎょ)とは、分巻電動機を用いて、機能的には電機子チョッパ制御と界磁チョッパ制御を組み合わせて制御を行うチョッパ制御方式である。4象限チョッパ制御 (4Quadrant: 4Q) とも呼ばれる。
このチョッパ装置は、当時の営団が銀座線用の更新車両として計画した01系車両を設計するにあたり、従来のチョッパ制御装置では銀座線用としては機器が大きく、装置の小形化および軽量化が求められていた。このような経緯から高周波分巻チョッパ制御装置が開発された。
=== 特徴と制御 ===
これは、モーターの電機子を制御するチョッパ装置の他に、並列する形でモーターの分巻界磁を制御する4つのチョッパ装置を、分巻界磁を接続したブリッジ回路に取付けており、「前進力行」「前進ブレーキ」「後進力行」「後進ブレーキ」の4つの運転モードの切替えを、4つのチョッパ装置で連続かつ円滑に行うことができる方式である。
チョッパ制御の最終形態であり、搭載するチョッパ装置の所要数が多くなるが、抵抗器や可動接点部品の大幅な削減ができるほか、無接点で主回路の切り換えもないことから、保守の低減が可能となっている。
このチョッパ装置が開発が可能になったのは高耐圧、大容量の電力用半導体であるGTOサイリスタが開発されたことが大きな理由とされている。
チョッパ装置の素子に高速スイッチング特性に優れたGTOサイリスタを採用することで、従来のチョッパ装置のチョッピング速度を3倍 - 4倍に高めた高周波チョッパが可能となる(チョッパ周波数を660Hzから2,000Hz以上に高周波化)。このため、従来はモーターに流れる電流を確保するために必要であった「主平滑リアクトル」が不要となる。さらに従来のサイリスタでは力行とブレーキ時(回生ブレーキ時)で回路を逆転させるための「転換器」が必要とされていた。しかし、高周波分巻チョッパ(4現象チョッパ)ではこの装置が不要となり、かつ、従来のサイリスタで電流を遮断するために必要であった「転流回路」も、GTOサイリスタの採用により不要となった。加えて、チョッパ装置の心臓部であるゲート制御装置に、当時最新のマイコン技術を使用し、従来のチョッパ装置と比較して大幅な小形軽量化が可能となった。
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粘着性能は分巻電動機の特性に適した電機子と界磁を別々なチョッパ装置で制御を行うため、、従来のチョッパ車の粘着値である16.8%から18%台へ向上された。さらに従来のAVF(自動可変界磁制御)式チョッパ制御と比較して床下艤装スペースで65%、機器重量は71%と約30%の小形軽量化が実現されている。
=== 実用化と改良 ===
この高周波分巻チョッパ装置(以下、分巻チョッパ)は1982年(昭和57年)4月に営団丸ノ内線において800形を使用して実車試験を実施した。この際には三菱電機が開発した2,500V 800A級GATT(Gate Assisted Turn-off Thyristor・ゲート補助ターンオフサイリスタ)素子の試験もかねて実施した。合成周波数は990 Hzで在来車比1.5倍の高周波数動作を実現した。しかし、01系を製造する当時はGTOサイリスタが主流化する傾向があったため、同系ではGTOを採用することになった。
その後、この分巻チョッパ制御を正式に採用したのは1983年(昭和58年)5月に銀座線用として落成した01系車両である。この車両の素子には電機子・界磁チョッパ装置ともに2,500 V級のGTOサイリスタを採用、合成周波数は2,400 Hzと前年の丸ノ内線での試験車と比較しても約2.4倍と大幅な高周波数化を達成している。
その後も営団地下鉄において1988年(昭和63年)に日比谷線用の03系、丸ノ内線用の02系、東西線用の05系において改良が加えながら採用が続いた。
==== 02系のチョッパ装置 ====
02系用のチョッパ制御装置は01系用の装置とほとんど同じ仕様である。しかし、本形式は電機子チョッパ装置にはGTOサイリスタ素子を使用したが、界磁チョッパ装置には高耐圧パワートランジスタに変更して機器のさらなる小形軽量化を図った。なお、採用の約2年前にあたる1986年(昭和61年)11月には01系を用いて実車試験を実施している。
==== 03系・05系のチョッパ装置 ====
03系・05系用はシステムは基本的に01系用の装置を1,500 V用としたものである。ただし、この2形式では艤装や保守の容易化、さらにMT比 1:1 で従来のチョッパ車並みの性能を実現させるために大きな改良が加えられている。
この1,500V用の装置は1987年(昭和62年)2月に東西線において5000系車両に試作した制御装置を搭載し、本線試運転を実施して実用化の試験を行った。なお、03系は05系の開発途中に日比谷線の輸送力増強が必要となり、急遽製造された形式である。
床下機器ではチョッパ装置を主チョッパ装置、ゲート制御部、界磁チョッパ装置や周辺機器などを1台の機器箱に集約することで、艤装の簡略化およびメンテナンスの容易化を図った。素子には電機子・界磁ともに1,500V用として4,500V級のGTOサイリスタを採用した。チョッパの合成周波数は1,800Hzと01・02系より低く抑えられている。
制御装置は心臓部であるゲート制御部を16 bitマイクロコンピュータ(マイコン)とIC論理ロジックへの大幅な置き換えがされており、有接点部を減少させて装置の小型軽量化と無接点化を図った。
主回路は前述した高性能マイコンによる全デジタル制御の採用で、以下の制御機能が導入されている。
電動車の各車軸速度を検出し、マイコンで速度差や加速度・加速度変化率を瞬時に比較演算をし、空転制御を行うことで最大限の粘着を行う「高粘着制御」の導入。
上り・下り勾配および曲線など路線条件によって変化する加速度を限流値内で補正し、一定の加速度を引き出す「加速度一定制御」の導入。
この高精度のアダプティブクリープ制御(資料によってはアンチスリップ制御)によって粘着性能を19.1%に向上させ、MT比 1:1 で毎秒起動加速度3.3 km/hを実現させた。
前述の通り、分巻チョッパ制御は営団地下鉄で積極的に採用を進めた。しかし、営団でも在来路線において1991年(平成3年)度に東西線05系第14編成と南北線9000系にVVVFインバータ制御が初めて採用され、1992年(平成4年)度から06系・07系を最初にVVVFインバータ制御の本格的な採用が始まり、同年度で本方式の採用は終了となった。なお、分巻チョッパを採用したいずれの4形式とも1993年(平成5年)以降に落成した車両はVVVFインバータ制御が採用されている。
日本の電車で、この分巻チョッパ制御を採用したのは前記した営団地下鉄の4車種のみである。新交通システムとしては横浜新都市交通(現・横浜シーサイドライン)(金沢シーサイドライン)1000形、広島高速交通「アストラムライン」6000系で採用されている。