界磁添加励磁制御
位相制御 - 交流の電圧を制御する方法の一つ。サイリスタなどスイッチング作用のある半導体素子により電流を流す時間を変えて交流波形の一部を取り出し、平均電圧を制御する(左図)。
チョッパ制御 - 位相制御の考え方を直流に適用したもので、電流を流す時間を変えて電圧を制御する(右)。パワーエレクトロニクスが発展途上の時代は、位相制御に比べ回路が複雑で高価であった。
日本国有鉄道(国鉄)は1970年代のオイルショックに端を発して、省エネルギー電車の開発を進めていた。旧来の抵抗制御による電車は、加速時にモーターの電圧を制御するにあたって、抵抗器で電力の一部が熱損失となり、ブレーキをかける際も運動エネルギーを熱として捨てるものであった。国鉄はこれを改善すべく、1979年に電機子チョッパ制御による201系通勤形電車を登場させ、連続電圧制御による熱損失の解消と、ブレーキ時の運動エネルギーを電力に変換して架線に返す回生ブレーキを実用化した。しかしながら、この当時はパワーエレクトロニクスが発展途上にあり、省エネルギー効果こそ有していたものの、制御回路が高価で旧来の抵抗制御方式に取って代わるまでには至らなかった。
一方、この頃の民鉄では、高価な電機子チョッパ制御に代わり、界磁位相制御や界磁チョッパ制御が開発されていた。
これらを背景として、1980年代に国鉄と東洋電機製造により共同開発したのが界磁添加励磁制御である。特徴を以下に示す。
電圧制御は旧来の抵抗制御、直並列組合せ制御を基本とした。
主電動機には従来同様、構造が単純で堅牢な直巻電動機を用いた。
界磁の制御に新たな技術を導入して、低コストで電力回生ブレーキを可能とした。
界磁チョッパ制御と同様のコストパフォーマンスを狙いつつ、かつ構造が単純で堅牢な直巻電動機の使用を可能とした点が本方式の利点である。当時の次世代近郊形車両(国鉄211系電車)向けとして開発されたが、開発タイミングから先行して通勤形の205系に初めて採用された。以来、国鉄末期からJR初期にかけて新製電車に用いられたほか、民鉄でも一部採用された。原設計は共同開発を行った東洋電機製造が担当した。
2100系(JR東日本253系電車の譲受車)
JR東海の界磁添加励磁制御は、補助電源を直流としているため、添加励磁制御には位相制御回路ではなく、DC-DCコンバータが用いられる。DC-DCコンバータは、直流の補助電源をインバータにより単相交流に変換し、さらに降圧・整流して直流の添加電流を得る。インバータにはパワートランジスタを用いている。
通勤、近郊形
211系(1985年。0番台・5000番台・6000番台) 213系(5000番台) 311系(1989年)
特急形
371系(1991年、廃車、後述の富士急行へ譲渡)