電気車の速度制御
直流 - 流れる方向が変化しない電流。電池のようにプラス・マイナスの電源電極が定まっている。
交流 - 時間とともに流れる方向が変化する電流。家庭用のコンセントから得られる単相交流や、3系統からなる三相交流などがある。
電動機は回転する軸を持つ回転子と、回転子との相互作用によりトルクを発生させる固定子から構成される。電気車には、回転子に電機子、固定子に界磁と呼ばれる電磁石をそれぞれ配置した直流整流子電動機(電磁石界磁形整流子電動機)が古くから用いられてきた。この電動機は、電機子の回転に応じて極性を変えるための整流子やブラシを必要とするが、始動トルクが大きい、速度制御が容易などの利点を持つ。
さらに直流整流子電動機は、界磁と電機子を並列に接続する分巻、直列に接続する直巻、これら双方を合わせ持つ複巻に分類され、下表のように特性が異なる。このほか界磁を別電源とする他励方式もあり、その特性は分巻に類似する。
上記の中では、始動トルクが大きく速度変化の容易な直巻電動機が電気車の電動機として適しており、黎明期から搭載し活用された。また、界磁の制御がしやすい複巻電動機も、定速度制御や回生ブレーキを目的に採用された製品が存在する。
ここで、直巻電動機の特性について整理しておく。整流子電動機においてトルク( T {\displaystyle T} )は、界磁による磁束( φ {\displaystyle \phi \,} )と電機子電流( I a {\displaystyle I_{a}\,} )の積に比例する。
トルクの周波数特性としては、(電圧V/周波数f) に比例し、さらに誘導電動機では、停動トルクより微少な場合はスベリ周波数fs に比例する(一般的な「すべり率S」ではなく「すべり周波数fs 」であることに注意)。同期電動機では電機子磁界と回転子磁界の角度δに関して sin(δ/2) に比例する。これを式で表現すれば、
T = k 1 φ I ≒ k 2 ( V / f ) 2 f s {\displaystyle T=k_{1}\phi I\fallingdotseq k_{2}(V/f)^{2}f_{s}}
ここに、 k 1 , k 2 {\displaystyle k_{1},k_{2}} は比例定数、Iは電機子電流、 φ {\displaystyle \phi } は鎖交総磁束、Vは電圧、fは電源周波数、 f s {\displaystyle f_{s}} はすべり周波数である。すなわち V/f を一定にして(=電圧と周波数を比例させて)ゼロから徐々に増やして起動すればよく、周波数に応じた任意の速度での運転ができる。
一方で、電機子チョッパは、パワーエレクトロニクスが発展途上にあった1960年代から1970年代に実用化されたため、
電機子を流れる大きな電流を制御することから、装置が大がかりで製造費用が高い。
位相制御と同様、高調波を生じ誘導障害を引き起こすことがある。
などの問題も有していた。
また、昇圧チョッパの利用によって低速域まで回生ブレーキが使用できる反面、高速域では電動機の起電力が架線の電圧を大きく超え、回生ブレーキの使用が難しくなる問題も抱えていた。このため、電機子チョッパ制御では一般に直並列組合せ制御を行わないが、高すぎる回生電圧を制御するためにブレーキ時に直並列の組み替えを行う構造を搭載した車両もある。
このように、本方式は粘着性能に優れており、しかも電流の抵抗損失を生じない一方で、高速域の回生ブレーキに難のある方式であった。このため、高速運転は行わないが、高い加速度(高い粘着性能)を必要とし、トンネル内の温度上昇を抑制する必要のあった地下鉄車両にしばしば用いられた。
速度が上がり最大電圧に達すると(回転数V1)、あるいは定出力制御が限界に達すると(回転数V2)、これ以上の速度向上は電動機の特性に依存する。すなわち、速度に反比例して電流は低下し、トルクは速度の2乗に反比例して低下していく。
以下、表に各速度領域における速度上昇と印加電圧、電流、発生トルク、出力の関係について示す。
古くから用いられてきた直流電気車の制御は、以下を基本とする。
ここで基本となるのは抵抗制御である。直巻整流子電動機は電流が回転速度に反比例することから、停止状態で電源電圧をそのまま作用させると、過大電流が流れ電動機を焼損したり、過大なトルクを発して車輪が空転を起こしてしまう。そこで、右図に示すように抵抗器を電動機と直列に配置して起動する。これによって電流は低く抑えられ、電源電圧は抵抗値に応じて電動機と抵抗器に分配される。起動時では、電動機の抵抗値に相当する逆起電力はほぼゼロであるため、電源電圧の大半は抵抗器に作用する。
やがて回転速度が上がってくると、電動機には印加電圧と逆向きの逆起電力が増加し、これにともなって電流が減少し発生トルクも下がっていく。ここで抵抗器の一部を短絡すると、電動機の印加電圧が上昇するとともに、電流とトルクが回復する。この要領で、回転速度に応じて電流が変化する電動機の特性に合わせ、段階的に抵抗を減らし、電流とトルクをほぼ一定に保つのが抵抗制御である。
抵抗値の切り替えを進段と呼び、機関車では機関士が電流計を見ながら手動で操作し、電車では制御装置が電流値を検出して自動進段する方法が主流である。このときの電流値を限流値という。また、抵抗器は電流を流すと熱を発するため、進段せずに電流を流し続けると過熱して損傷する。したがって、抵抗制御は速度を上げるための過渡的な制御であり、速やかに進段してすべての抵抗を短絡しなければならない。
抵抗制御・組合せ制御が最終段に達すると、電動機の印加電圧は最大となり、これ以上の電圧向上はできなくなる(下図の第一段階)。この状態で回転速度をさらに上げていくと逆起電力が増加し、回転速度に反比例して電機子電流( I a {\displaystyle I_{a}\,} )が低下する(下図の第二段階)。また、直巻電動機は電機子と界磁を直列としていることから、電機子電流がそのまま界磁電流となり、磁束( φ {\displaystyle \phi \,} )・電機子電流とも低下し、結果としてトルク( T {\displaystyle T\,} )は回転数の2乗に反比例して急激に低下してしまう(右図赤線)。
T = k ⋅ φ ⋅ I a {\displaystyle T=k\cdot \phi \cdot I_{a}}
ここでトルクの低下を抑制するには弱め界磁を用いる。下図の第三段階に示すように、界磁電流の一部を短絡したり別回路に流すことで界磁を弱めると、逆起電力が低下し電機子電流が回復する。このとき界磁磁束は小さくなるためトルクの低下は免れないものの、電機子電流を確保することで速度上昇にともなうトルクの低下幅を抑制できる(右図青線)。
界磁を弱める方法として、界磁の中間にタップを設けて界磁の一部を短絡する方法(界磁タップ制御または部分界磁式)や、界磁と並列に抵抗を配置して界磁電流の一部をバイパスさせる方法(界磁分流制御または分路界磁式)がある。