回生ブレーキ
励磁電流の制御にはスイッチング素子による定電圧可変電流制御を必要とし、抵抗制御の時代は、耐久性の観点から広く磁気増幅器が用いられた。また界磁制御の幅を広くとるため、短距離主体の車両では複巻整流子電動機を使い、完全に(回転子の)主回路とは別線路としたものも出現した。
後にスイッチング素子として半導体サイリスタが台頭してくると、回路全体を半導体スイッチング素子で制御する電機子チョッパ制御が出現するが、半導体素子が高額なため、日本においては帝都高速度交通営団(現・東京地下鉄)以外ではほとんど定着しなかった。固定子の制御は従来どおり抵抗制御とし、励磁回路を半導体によるスイッチング回路としたものが出現し、複巻主電動機を用いたものは界磁チョッパ制御、直巻主電動機を用いたものは界磁添加励磁制御と呼ばれる。現在主流である可変電圧可変周波数制御(VVVF)では、回生ブレーキ時には架線側に対して固定電圧固定周波数可変電流(CVCF)出力を行って回生ブレーキを実施している。
また、交流電化区間では電圧だけではなく、交流電源の位相も同期させる必要が生じる。
回生ブレーキを使用することにより、列車の消費電力を削減(力行時と制動時で相殺)できるほか、フラット発生による乗り心地悪化の抑止や、特に摩擦ブレーキ(空気ブレーキなどの基礎ブレーキ)として踏面ブレーキを採用している車両においては、輪軸摩耗率の抑制や長い下り勾配区間などでの過熱による輪軸弛緩の阻止が期待でき、また地下トンネル内の温度上昇の問題も軽減できる。
抵抗制御をベースとした制御方式(直巻他励界磁制御、界磁チョッパ制御、界磁添加励磁制御)では元々電圧制御段が抵抗制御であるため、従来通りこれを発電ブレーキの抵抗として使用できるが、電機子チョッパ制御、サイリスタ連続位相制御、VVVFインバータ制御、及び日本では主流に至らなかった回転式位相変換器を用いた交流電動車の場合は、専用に抵抗器を搭載する必要がある。また、抵抗制御を使用している車両であっても通常よりも大容量の抵抗器を搭載するケースが少なくない。 集電装置の離線による回路切断で発生する回生失効は、集電装置を複数搭載とすることである程度抑止が可能である。このため、回生ブレーキ非搭載の車両ではパンタグラフ1基搭載を原則とする路線であっても、回生ブレーキ搭載車に限ってはパンタグラフ2基搭載とするケースが少なくない。また、各車のパンタグラフ搭載数が各1基であっても、各車間の集電装置と制御器の間の母線を連結し1つの給電系統にまとめることで、同様の効果を得ることができる。ただし、この母線引き通しは編成両端の集電装置間の距離がき電区間の境界となるデッドセクションの長さを超えることはできない。
回生失効とは、回生ブレーキにおいて回生出力に対する負荷が確保できず、制動能力が低下または無効となる現象である。時に鉄道の電気車(常に架線から集電するもの)においては、集電装置の離線や返却先である架線の電圧が極端に高い場合、また返却した電力を消費する列車がない場合に発生する。これが起きるとほぼ完全にブレーキが利かなくなる。
この現象は特に直流電化されている路線で発生しやすい。これは交流電化に比べて直流電化では「饋電(きでん)」区間が短いという要因にもよるが、直流変電所において交流から直流への変換にダイオードブリッジ(シリコン整流器)が用いられていることに起因する。ダイオードブリッジは電流の流れる方向を規制するその機器の特性上、交流から直流へ変換することはできても、直流から交流へ逆変換することはできない。そのため回生ブレーキによって発電した電力は、変電所を通じて直流→交流となることはなく、特に対策を施さない場合は同じ変電所の同じき電区間内に電力を消費する他の「負荷」がなければ回生ブレーキは作動せず、「回生失効」となる。
また、交流電化区間であっても、離線やデッドセクションを通過する場合には回生失効が発生する可能性がある。
この回生失効現象が発生した場合、回生ブレーキ性能が大幅に低下、または無効化する。また、回生ブレーキを使用しない車両と併結している場合に、車両間で制動力に大きな差が生じ、いわゆる「ドン突き衝動」が起こる。このため、以下のような対策がとられている。