発電ブレーキ
発電ブレーキ(はつでんブレーキ)とは、電気動力で駆動される車両や機器におけるブレーキ方式の一種である。ダイナミック・ブレーキ(Dynamic Brake)とも呼ばれる。鉄道車両や産業機器において広く用いられている。
直流電動機の場合、電動機への給電を止めて通常の駆動を停止しブレーキを掛ける際、電動機に抵抗器を介した閉回路を構成して通常の出力側(車両では車輪)の回転により電動機を回転させると、電動機が発電機として働き起電力(フレミング右手の法則)が発生し電気が流れ、それが抵抗器を介した閉回路を通って自らの電動機に戻ることで、電動機内で通常の回転とは逆の回転抵抗を生じさせ(フレミング左手の法則)電動機に制動力を得る。抵抗器は走行中の運動エネルギーを電気エネルギーに変換してジュール熱を発生させ、制動力は抵抗器の容量によって変化する。
なお、広義には回生ブレーキもこの部類に含まれるが、通常「発電ブレーキ」と表現した場合は、前述の抵抗器によるものを指す。また、発電ブレーキと回生ブレーキを合わせて「電気ブレーキ(電気制動)」と呼ぶことが多いが、その略称である「電制」は発電ブレーキを指す場合が多い。
鉄道車両では主に抵抗制御の電車や勾配区間を走行する電気機関車に使用されており、力行時にも使用される抵抗器を利用し、主制御器により主電動機の発生電圧に応じて抵抗値を変化させ、一定の発電電圧とすることで、安定したブレーキ力を得ている。連続勾配区間の降坂時や減速時の強力な制動力確保に適していることから、電気式ディーゼル機関車にも発電ブレーキがしばしば用いられている。
だが、車載抵抗器の容量によっては制動能力が制限され、またエネルギーを熱として捨ててしまうことは省エネルギーの観点からも得策ではない。1980年代以降現在に至るまで、電車用としては従来の抵抗器式発電ブレーキに代わって、電力回生ブレーキが主流となっている。主制御器の働きで架線や第三軌条の電圧より高い電圧の電気を発生させ、それらを通じて他の力行中の車両や、変電所の抵抗器などに送電することで、車載抵抗器よりもはるかに大きな負荷を得て、より強力なブレーキ力を確保するものである。ブレーキエネルギーを他車の走行エネルギーとして再利用でき、省エネルギーの面からも有利である。電力回生ブレーキも発電ブレーキの一種であるが、鉄道技術の狭義の用語としては、抵抗器で電力消費を行う発電ブレーキとは区別されている。なお、連続勾配区間の降坂時に使用される抑速ブレーキも、抵抗器を使用する場合には発電ブレーキと同じ仕組みである。
発電ブレーキを常用する新性能車・高性能車の仕様が安定し、1961年(昭和36年)頃から大量生産が始まった私鉄電車の中には、山岳区間が存在しないなどの理由でより経済的な仕様が求められた結果、発電ブレーキを省略した形式も登場した。例としては以下の系列が挙げられる(該当形式が複数にまたがっている場合、原則として最初の代表形式のみ記す)。なお同時期に経済的な車両として製造された国鉄103系電車は、発電ブレーキを常用していた。
近鉄1800系 - 近鉄の幹線には山岳区間が多かったため、平坦区間で構成される近鉄名古屋線だけが省略対象となった。
しかし、発電ブレーキを常用しなければ、結局ブレーキシューから削られた粉で床下機器などが汚れるため、ほとんどの次世代車では、発電ブレーキ常用に戻っていった。鉄道用の発電ブレーキは21世紀初頭現在でもまだ広く用いられている。理由としては次のようなケースがあげられる。
回生ブレーキよりも発電ブレーキの方が回路構成が単純であり、かつては回生ブレーキは製造コストが高価であった。
列車本数の少ないローカル線や路面電車など、他車の負荷が少ない場合では、架線電圧という外部要素に依存する回生ブレーキを使用することは必ずしも適切ではなく、自車単独で安定したブレーキ性能の得られる発電ブレーキの方が望ましい。
急勾配路線では降坂時の安全が最優先され、安定したブレーキ性能が要求される。架線事故や集電装置の破損や離線や、列車密度が低い路線などでは、回生ブレーキは失効し、制御不能となる懸念もある。
非電化鉄道に於いては、近年ハイブリッド機関車・気動車の技術が確立するまでは、システム上回生制動自体が使用できなかった。
ローカル私鉄で発電ブレーキ車が多く使われている理由は、単に大手私鉄で旧形となった車両の譲受車が主流であるばかりでなく、回生ブレーキで発生した電力を消費する列車・設備がないことにある。列車密度が低く運転本数もまばらであるため、高い加減速性能も必要とされない。また、東急7000系など、回生ブレーキ装備車の払い下げを受けた私鉄では、回生ブレーキで発生した電力が変電所に戻らないように回生ブレーキを使用不可とすることが多く、勾配路線用である叡山電鉄900系電車のように、回生ブレーキに対応した制御装置と主電動機の提供を受けながら、発電ブレーキ専用に改造した例も存在する。
長野電鉄など、譲渡車の回生ブレーキをそのまま使用している鉄道もある。これは変電所に回生ブレーキが発生した電力を吸収する回生電力吸収装置を設置することによって、列車本数の少ない中小私鉄においても回生ブレーキの使用を可能にしたものである。発電ブレーキの抵抗器発熱による搭載機器の劣化を考慮すると、経営基盤の弱体な地方私鉄にとってはメリットにもなる。
急勾配路線でも、発電制動が継続すると抵抗器の発熱が処理しきれなくなり、過熱や焼損の原因となることから、あえて回生ブレーキとする場合もある(国鉄EF16形電気機関車など)。
JR東日本E127系電車や近鉄のVVVF車各形式などのように、VVVFインバータ制御において列車密度が低く回生ブレーキで発生した電力を消費する列車が少ない場合には、発電ブレーキと回生ブレーキ双方を搭載して回生失効対策を採ることがある。
交流電化においては比較的回路が簡単で、発生した電力を変電所から送電側に戻すことも容易であるが、電車では0系での低圧タップ制御やサイリスタ位相制御の一部に発電ブレーキを採用しており、そのための主制御器と抵抗器を搭載している。交流専用車両でのサイリスタ位相制御の電車では回生ブレーキが採用いられており、国鉄ED78形及びEF71形電気機関車ではサイリスタ位相制御方式を採用していたが、勾配区間での抑速ブレーキ用に回生ブレーキを採用しており、主回路には抵抗器を持っていない。
JR北海道のキハ183系の様に走行用の電動機を持たない「液体変速機式気動車」でのダイナミックブレーキとは、自動車におけるリターダブレーキと同じ仕組みである。
自家用車においてもエコカーブームによって電動機を動力源とする自動車が普及しつつあるが、燃費の改善に重点が置かれているため回収したエネルギーを熱として捨てるだけの発電ブレーキは採用されず、回生ブレーキを備えて搭載するバッテリーの充電に用いるモデルが多い。
電動機に逆電流を流し、ブレーキをかけさせる装置も研究されているが、現段階ではこれを発電ブレーキとは称していない。静止状態では無効なため、摩擦ブレーキの補助的な存在である。鉄道にも同様のものがあり、純電気ブレーキと称する。
自家用車を小規模な改造で牽引車とする、車両総重量3,500 kg以下のライトトレーラー(主にキャンピングトレーラーやモーターボート輸送用トレーラー)では、主制動装置として慣性または接近式ブレーキを備えなければならない(車両総重量750 kg以下で条件を満たすものに限り、制動装置は不要)。このなかの慣性制御式電気ブレーキは、牽引車のブレーキコントローラーから指令が電送され、トレーラーのブレーキシュー(もしくはパッド)を電磁石で動かす方式であり、鉄道車両における電気指令式に相当する。これは従来の摩擦ブレーキを電動アクチュエータによって駆動するものにすぎず、回転力を磁気で押さえ込むわけではないので発電ブレーキとは異なる。