第５１１回 電車が動く仕組みを図解で説明！？

　　　　　　　　　　　なんか、タイトルだけ凄いだけでちっとも説明になってない（怒）　という声も聞こえてきそうですが、今回は本当に電車が動く仕組みを図解　　←　これがチープで申し訳御座いませんm(-_-)m　　　　　　　　今に至るまで様々な電車を動かす技術が発展して最も基本な抵抗制御、それから界磁チョッパを用いたチョッパ制御、また抵抗制御の応用と言える界磁添加励磁制御、また初代０系新幹線に用いられたサイリスタ位相制御、また今日の主流であるVVVFインバーター制御までと幅広くあります。　　今回はその中で基本中の基本の「抵抗制御」と今日に大活躍の「VVVFインバーター制御」にのみ焦点を当ててみたいと思います。　　てな感じでゴー

 

 

 

　　　　 　それではまず「抵抗制御」ですが、読んで字のごとく「直流電流」を少しずつ「抵抗器」を通す数を減らす事により、だんだん加速していく制御方法です。　何でだんだん「加速」しなければならないのでしょう？　いきなり大電流で直流モーターを回せば急発進するどころか、歯車の回転が追いつかず歯車機器が損傷してしまいます。　なので「電車はどんな制御方式であれ基本はだんだんと加速する制御です」

 

　　　　　

 

　　　　　いきなりチープな図で申し訳ないのですが抵抗制御の基本はこういう構造です。　　この図を見て、架線が電気を運ぶのはわかりますがそれではモーターに片方の電極が付いただけでモーターが回りませんね。　ではもう一方の電極それは線路なのです。

 

　　　　　それでは抵抗制御の「抵抗器」 をだんだん通すのをやめて直流モーターに電流を流す図です

 

　　　　

 

 

　　　　

 

　　　　

 

　　　　　　　　この様にして「抵抗器」に通す電流をだんだん減らす。　　そうして加速していく訳です。

 

 

　　　　では、今度は「制動」つまりブレーキをかける時ですが、電車には折角モーターが付いているのですから、モーターに負荷をかける・・・　　すなわち「発電」させる事によってブレーキがかけられます。　これを俗に「電気ブレーキ」と呼ばれるものです。　　抵抗制御では「発電」した電気は「抵抗器」によって「熱」として捨てられてしまいます。　　これでは何となく勿体無いですね。　なのでその「発電」した電気を「架線」に返す為の制御方法が省エネにも繋がりますし、そういう方向に今でも更に発展しています。

 

　　　抵抗制御の場合、「制動」の場合「加速」とは反対に「モーター」から「抵抗器」に電流が流れます。　　それが下の図です。　（だんだん青い部分が増えて行くのがわかると思います）

 

　　　　

 

　　　　

 

 

　　　　　　ここまでが「抵抗制御車両」の大まかな（本当に大まかですが(-"-;)　　）電車の動く仕組みです。 

 

　　　それでは今日の主流である「VVVFインバーター制御」についてですが、図解するのは極めて難しいです。　　のでまず「電気」のちょっとした知識をまず知っておく必要性があります。

 

　　　インバーターとはどういう意味なのでしょう。　この電気の分野では「直流を交流に変換する事」を言います。　　逆に「交流から直流に変換する事」はコンバーターと言います。

 

　　　直流電流から交流電流に変換した訳ですから用いるモーターも「直流モーター」では無く「交流モーター（誘導電動機）」を用いる事になるのはわかりますね。　（実際には三相誘導電動機を用いるが話が複雑になるので今回は簡単に）

 

　　　更に知っておかなければならないのが「交流モーター（誘導電動機）」は交流のHz周波数（フリクエンシー）によって回転速度が変わるという事です。　　丁度、日本は家庭用電気は関東地区で交流５０Hz、関西地区で交流６０Hzなので分かりやすいかと思います。　交流５０Hzとは一秒間に＋と－　が５０回変動する事を言います。　同じように交流６０Hzでは一秒間に＋と－　が６０回変動します。　なので交流モーターの場合交流６０Hzの方が早く回転します。

 

　　　この事はだいぶ前から知られてはいたのですが、電車に用いる様な大電流用の周波数（フリクエンシー）Hzを変える素子が非常に高価だったので、交流モーター（誘導電動機）の方が直流モーターと違って整流子やブラシなど回転で触れる部品が少ないのでメンテナンスフリー化も図れる等のメリットがありながらだいぶの間実現出来ませんでした。

 

　　　それが工業の発展に伴ってシリコン等を用いた大電流用の「トランジスター」などが安価に出回る様になって、今日に至っている訳です。　　またまた、おおまか（本当におおまか(＞▽＜)　　）　ですがVVVFインバーター制御の仕組みを図で示してみます。

 

　　　　

 

　　　　この図を詳しく説明するとなると、おそらくは難しい話になってしまうので、今後どの様な電車が作られるかの「一つの未来案」として、先程、「電気ブレーキ」で「抵抗器」によって「熱」で捨ててしまうのではなく、ほぼ架線に発電した電気を架線に返せる「完全回生ブレーキ（これは三菱の商標登録で他社は純電気ブレーキなどと呼ぶ）」 は実現出来ました。　　今度は「交流区間で交流のまま上手く周波数（フリクエンシー）を変換する機器に繋いで、現在交流区間では（新幹線は全て交流区間）交流をコンバーターによって一度直流に整流してからまたインバーターによって交流電流に戻す二重の手間とロスがあるが、それをなくす機器の開発が更なる省エネ化と交直両用車両におけるデメリット（二重に機器を積むので価格や重量が負担になる）　も完全に無くせるので今後の大きな期待すべき制御方法となるのではないか？　と僕は考えています。

 

 

 

　　　　と今回は鉄道の制御方法について簡単に図も含めて説明しましたが・・・　　やっぱり本当に理解となると難しいかぁ。 でも線路が鉄道の片方の電流の接点だけ分かってもらえればよろしいかと。

 

 

 

 

　　　　　　　　　　　～　　　　　未来ミラクル！　　　　万事ジャンプする　　　　～

 

 

 

 

で、ガンバランスdeダンス 

 

 

P.S　　図が上手くなくて申し訳御座いません。　やっぱりタブレットが欲しいですね・・・

コメント 10

コメントの受付は締め切りました

　みっきーさんnice!ありがとう御座います！
これからもよろしくお願い致します。
by ネオ・アッキー (2008-10-24 12:20) 

　ぴーすけ君さんnice!ありがとう御座います！
これからもよろしくお願い致します。
by ネオ・アッキー (2008-10-24 12:23) 

難しいです〜。
言葉は聞いたことがあっても、理解までは出来てません。
ネオ・アッキーさんは、本当に理解しているようなので、
模型が作れるんじゃないですか？
by くっきもんちゃん (2008-10-24 14:33) 

なんかすごい原理ですね。
それを説明できるネオ･アッキーさんがすごい！！
まめにはよう分からんけれど、電車ってすごいんだってことは分かりました。
ネオ･アッキーさん電車好きだもんね。
とことん極めるタイプですか？？
でも、めったに聞けないお話だったから、ためになりましたよ～。
by まめ (2008-10-25 00:35) 

　くっきもんちゃんさんnice!＆コメント真にありがとう御座います！
やっぱり難しいですか(^_^;)　　実は今気が付いたのですが、抵抗器にそれぞれ繋ぐ所にスイッチ　/。　の記号を付け無いと間違いでした。

そうですね～　超リアル鉄道模型として、Nゲージ等は線路が電極になっていますが（線路が二本あるので片方が＋でもう一方の線路が－）ちゃんと架線も張ってパンダグラフで集電して線路が実際の鉄道の様に電極になっている様な模型作れるかもです。　　でも買う人いるのかな（爆）
by ネオ・アッキー (2008-10-26 14:24) 

　まめさんコメントありがとう御座います！
まめさんに褒められると嬉しいです!(^^)!　
そうです電車大好きで～す！
とことん極めるタイプ(・_・;)　まめさんには見抜かれてしまいましたね～（汗）　
その弊害か、好きなものはとことん好きですが、逆に嫌いなものは絶対受け付けないとかあったりします・・・。
by ネオ・アッキー (2008-10-26 14:33) 

　xml_xslさんnice!ありがとう御座います！
これからもよろしくお願い致します。
by ネオ・アッキー (2008-10-26 14:35) 

　ヤスさんnice!ありがとう御座います！
これからもよろしくお願い致します。
by ネオ・アッキー (2008-10-26 14:37) 

知識が凄すぎてコメントのしようがありません。
鉄道会社とか就職できそうですね～。＼(^o^))／
by gakan (2008-10-27 18:06) 

　gakanさんnice!＆コメント真にありがとう御座います！
お褒め頂いてありがとう御座います<(_ _*)>
鉄道の技術関係は大変興味があって好きなんですね。　やっぱりそっち関係に進めばよかったと思っています。
by ネオ・アッキー (2008-10-28 12:32)