電気車の速度制御
界磁位相制御と同様に複巻電動機を用いるが、本方式は分巻界磁を直巻界磁と並列に配置する点が特徴である。分巻界磁を流れる直流電流をチョッパ制御することで、界磁の連続制御を行う方式である。他の方式と同様、抵抗制御で起動し、界磁の連続制御は弱め界磁制御や回生ブレーキ時に用いられる。
チョッパ制御登場以前に、可変抵抗により分巻界磁の界磁調整を行う方式が存在し、本方式はこれを電力用半導体素子に置き換えたものと言える。旧来の界磁調整器に比べ保守性・応答性の面で有利であり、電機子チョッパに比べても回路が安価であったことから、多数の採用例がある。
一方、複巻電動機は構造が複雑で、負荷や架線電圧の変動に弱く、保守に手間がかかるという難点を合わせ持っていた。
電機子チョッパでは低下した電圧を昇圧チョッパによって高めることで、低い速度での回生ブレーキに対応していた。これに対し界磁を制御する方法では、回転数( n {\displaystyle n\,} )の増減に合わせて、界磁磁束( φ {\displaystyle \phi } )を変えることで回生ブレーキを実現する。つまり、速度が高いときは界磁を弱め、速度が低くなると界磁を強めて、幅広い速度域で一定幅の電圧を得る。ただし、界磁の制御だけでは限界があり、ある速度(一般に15km/hから30km/h程度)を下回ると十分な回生電圧が得られなくなり、空気ブレーキ等に切り替えられる。
界磁を自由に変化させるには、電機子と界磁が直列の直巻電動機よりも、電機子と界磁が独立した分巻電動機が適している。その一方で、起動から力行にいたる速度制御には直巻電動機が適しているため、直巻と分巻の特性を合わせ持つ複巻電動機を用いたり、力行時と回生時で界磁の特性を直巻・分巻に使い分ける制御などが行われる。また直巻電動機の界磁を別電源で駆動・制御すれば電気的には分巻特性に当たり、全電圧を印加する元々の分巻コイルよりもインダクタンスが桁外れに低く、時定数が小さくなるので制御系としては高速応答になり安定動作となる。
代表的な方式として、次の3方式が挙げられる。これらの方式は抵抗制御を基本とするため抵抗損失は避けられないが、安価に回生ブレーキを実現できるため、多くの電車に採用された。
電源電圧を直接変化させる方法で、制御の応答が速く効率的であるが、直流電圧を制御するのは難しく、装置が大がかりで高価となりやすい。
この方法は交流電化から発展が見られた。ワードレオナード制御は交流電源に電動発電機を組み合わせたもので、発電機の界磁制御によって出力電圧を制御する方式である。電圧を自在に制御でき、直流への整流も同時に行えるが、電動機や発電機が別途必要なことから、重量が大きく設備費が高額となることが欠点で、電気車において主たる方式とはならなかった。また、交流は変圧器を用いて電圧を簡単に変えることができることから、変圧器の巻数を可変として出力電圧を制御し、直流に整流する仕組みがタップ制御である。さらに、整流器に制御電極を組み合わせると、連続的に電圧を変化できる位相制御が可能である。当初、水銀整流器が用いられ、その後シリコン整流器に制御電極を設けたサイリスタの登場によって、無接点のサイリスタ連続位相制御へと発展した。位相制御は交流波形の一部分を取り出し、パルス状の電源を得て平均電圧を制御するものである。
一方、直流電化では、サイリスタを直流電源に適用したサイリスタチョッパ制御(電機子チョッパ制御)がある。直流電源に対し高速でスイッチオン・オフを行い、平均電圧を制御するもので、連続制御が可能となり、安定した回生ブレーキも得られる。このような方式をパルス幅変調(PWM)と言う。その一方、交流とは異なりスイッチをオフにするための機構が別途必要で、装置も高価であった。
インバータ制御の対象となる鉄道用交流モータは、かご形誘導電動機が一般的だが、TGVなどでは電磁石同期電動機が用いられていることもあった(新しい車両では誘導電動機が採用されている)。ともに回転磁界を直に作れる三相交流式である。誘導電動機のすべり率Sは回転子での電力損割合なので、定スベリ周波数制御をすると低速回転ほど損失率が増え効率が下がるので、低速回転になる直接駆動モーター (DDM) ではスベリ回転のない同期電動機が選ばれることが多い。しかしながら低速回転電動機のため重量が嵩み、新幹線保守の経験から「線路損傷が軸重の4乗と速度の2乗に比例する」ことが分かり、回生制動技術も発達したこともあって、JR東日本の試作車E993系、量産車先行車E331系1編成(=7両編成×2:14両)と試用車両に留まり、量産車は作られないまま一般方式の次世代車であるE233系が投入された。
交流電気車は交流電化区間で走行する電気車を指すもので、必ずしも電動機として交流電動機を使用するわけではない。電化方式と電動機の組合せとして、次に示す方式がある。
タップ制御は電力効率や再粘着性能に優れる一方で、有限個のタップ切換による段階制御であることから、抵抗制御と同様に切換時のトルク急変が伴い、空転そのものが発生しにくいわけではない。また、タップ切換時には大きな電流を切り入りするため、タップに電弧(アーク放電)を生じやすく、変圧器を損傷しやすい危険性を抱えている。
これらの問題は、切り換えるタップの電圧差を連続的に制御して、トルクの急変や電弧発生を解消することで解決できる。これを電弧が生じないことから無電弧タップ制御、またはタップ間連続電圧制御と呼び、電圧の連続制御には位相制御を用いる。整流器に制御極(ゲート)を設けると、特定のタイミングで整流器をオンにできる。この特性を利用し、交流電流の波形に合わせてオンするタイミングをずらすことにより、平均電圧を連続的に制御するのが位相制御の仕組みである(右上図)。
位相制御の歴史は比較的古く、1935年(昭和10年)には水銀整流器による格子位相制御と組合せ制御を併用した電気機関車がドイツで試作されている。その後、第二次世界大戦を挟んで、1950年代から交流電気車の技術開発が活発化し、水銀整流器によってタップ間の電圧を連続的に制御できる車両が開発される。