電気車の速度制御
直流電動機制御との比較でいえば、「電機子誘導起電力(=逆起電力)+内部抵抗降下」を直流電動機に加えて起動させるのが抵抗制御やチョッパ制御の基本だから、VVVFインバータ制御はその制御に周波数と位相が加わるだけで基本は同様である。「定電力領域」と「特性領域」についても直流電動機の「弱界磁領域=定電力領域」「特性領域」と変わらない。またVVVF領域も定トルクに制御すれば抵抗制御直流電動機での「定トルク領域」と同様である。
鉄道では折れ点を合わせてVVVF制御車と抵抗制御車を併結運転している例もある。
電気車の速度制御(でんきしゃのそくどせいぎょ)は、電気機関車や電車など電気を動力とする鉄道車両(電気車)を対象とした速度の制御方法である。本項では電気車に用いられる電動機の特性、および起動時や加速時の出力制御について、定トルク制御域、定出力制御域、特性領域と呼ばれる速度領域に分けて解説する。
チョッパとは『切り刻む』ことを意味するchopに由来し、電流を切り刻むことによって電圧制御を行う方法である。右図は降圧チョッパの概念を示したもので、一定の電圧で供給される直流電源に対し、高速でスイッチのオン・オフを行い、スイッチオンとオフの時間比率を変えることによって、任意の電圧に落とすことができる。すなわち、オンの時間を短く取れば平均電圧は低くなり、逆にオンの時間を長くすると高い平均電圧が得られる。このように一定の周期の中で、オンオフの時間を変えて電圧を制御する方法を、パルス幅変調 (PWM) と言う。
ここでスイッチの役目を果たすのが、サイリスタをはじめとする半導体素子であり、無接点で高速なスイッチングを行う。チョッパ制御は、交流における位相制御と同様の作用を持ち、電圧を連続的に制御できる利点を有している。
その一方で、サイリスタはスイッチオンの動作のみを持ち、電流がゼロになるまでスイッチオンを維持する特性がある。交流を用いた位相制御では周期的に電流がゼロになることから、自然にスイッチがオフとなるのに対し、直流を用いるチョッパ制御では強制的にスイッチオフとするための回路が別途必要となる。このため、大電流を扱うチョッパ装置は、回路構成が複雑で高価なものとなりがちであった。後にPWMを行う素子として登場したGTOサイリスタやIGBTは、スイッチオンに加えスイッチオフの動作も合わせ持つ半導体素子である。
T = k ⋅ φ ⋅ I a {\displaystyle T=k\cdot \phi \cdot I_{a}}
また、磁束は界磁電流( I f {\displaystyle I_{f}\,} )に比例し、直巻電動機では界磁電流と電機子電流が一致することから、磁束は電機子電流に比例する。したがって、直巻電動機のトルクは電機子電流の2乗に比例する。
φ = k 1 ⋅ I f = k 1 ⋅ I a {\displaystyle \phi =k_{1}\cdot I_{f}=k_{1}\cdot I_{a}}
T = k ⋅ φ ⋅ I a = k 2 ⋅ I a 2 {\displaystyle T=k\cdot \phi \cdot I_{a}=k_{2}\cdot I_{a}^{2}}
(ここに k , k 1 , k 2 {\displaystyle k,k_{1},k_{2}\,} は任意の定数)
一方、電動機は発電機と基本構造が同じであり、界磁の中で電機子が回転すると起電力が発生する。これは電動機に与える電圧と逆向きに作用するため、逆起電力と呼ばれる。逆起電力は回転数と磁束の積に比例して増加することから、回転数が上がると電機子電流が流れにくくなりトルクが低下する。
これらの結果をまとめると、直巻電動機の特性は、
電流は回転数に反比例する。
トルクは回転数の2乗に反比例する。
となり、右図に示す性能曲線が得られ、電気車が求める特性に合致したものとなる。
電動機として直巻界磁と分巻界磁の二つを持つ複巻電動機を使用し、分巻界磁は補助電源によって他励方式とするのが特徴である。このため他励界磁制御とも呼ばれる。補助電源は、制御機器の動作や空調機器などに使われるもので、直流電気車であっても一般に三相交流で供給される。この三相交流電源を励磁装置によって位相制御することにより、分巻界磁の連続制御を行う。
励磁装置には一般にサイリスタ等が用いられるが、これら半導体素子の登場以前にも磁気増幅器で位相制御し、本方式を採用した車輌もある。