利用者:いなんず/sandbox

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電気車の速度制御

電気車の速度制御（でんきしゃのそくどせいぎょ）は、電気を動力として電動機を動かす乗り物、すなわち[[電動輸送機器]に特有な速度の制御方法の事をいう。この項目では、主に電気を動力とした車輌、特に鉄道を中心に扱い、補助的に移動機器も扱う。

概要

速度制御の基本

電気車の速度制御とは、電気車において

車輌が踏面に伝えられる力の制約
電動機より取り出せる力の制約
饋電設備から取り出せる力の制約

この3つの制約を逸脱しないように、何らかの手段で車輌の出力を加減をしながら、望みの速度を達成することにある。

牽引力と衝動

一般的な、車輪のある車輌では加速・減速する力を得るために、電動機によって車輪を回転させ、車輪を支える面(踏面という)と車輪との摩擦いわゆる転がり摩擦を利用する。転がり摩擦によって車輌を駆動する力を牽引力という。牽引力が強すぎると、転がり摩擦では力を支えきれなくなり、車輌は滑りだしてしまう(滑走という)。一般に転がり摩擦より滑り摩擦のほうが摩擦力が小さいため、速度をコントロールするための力が足りなくなり、車輌は止まりにくくなる。したがって車輪の滑走を避ける事は安全性の確保において極めて重要になる。

次に、加速や減速の時に、急激に加減速を開始・停止すると、加加速度の影響で、車輌や積載物に衝撃力が加わり、荷崩れや乗員が転倒したり、車輌が故障する原因にもなる。加減速に伴う衝撃力のことを衝動(ジャーク)という。衝動を押さえるためには加減速の際になめらかに加速度を上げ下げする事が望ましい。

電動機の出力

次に、車輌の大きさは道幅や軌道の幅によって決まってしまう。道幅や軌道の幅は一度決定してしまうと物理的に拡張し難いため、決められた車輌の大きさで、搭載量を多く、速度を早く改善する事になる。車輌の搭載量や速度を改善するためには、下記二点が重要になる。

搭載している電動機を増やす
電動機が発生できる出力を大きくする

このため、大きな電動機の出力を安全に扱うこと(電動機の保護)、複数台の電動機をむらなく扱うこと(連動制御) この2つを実現するため、電動機の可変速制御と呼ばれる技術が発展した。

この電動機の可変速制御の発展に伴って安全に扱える電動機の出力が大きくなり、それがより大きな電動機の可変速制御の発展を促すといった技術の発展の繰り返しに伴い、電気車における電動機の出力は年々向上し、高速鉄道の実現や、高密度輸送などの実現に大きく貢献した。

なお、車輌に搭載した電動機の出力を大きくしても、後述する饋電設備の能力を超えた出力は取り出す事が出来ない。電気車の運転士は上記牽引力の限界や、饋電設備の能力を超えないように電動機の出力を調整するため、主電流計や架線電圧計に従ってマスターコントローラーによって電動機の可変速制御装置に司令を与えている。

電力供給(饋電)

最後に、車輌の電動機に対して、確実に電力を伝えることも必要になる。移動している車輌に対して、固定された設備から電力を伝えることを饋電という。電動機の台数・出力の増加に伴って、車輌が必要とする電力が増える。また、車輌は長距離を移動する。上記を実現するにあたって、下記の技術が特に鉄道において発展した。

車輌へより多く電力を送電するための送電技術(インピーダンスボンド・電食防止など)
車輌の加減速状態・速度に影響されないよう、電気を損失なく伝達する技術(架線釣架方法の発展)
車輌が複数の電気設備を中継できるようにする技術(給電セクションの発明・発展)

これらの技術の発展により、車輌に搭載できる電動機をより大型化できるようになり、車輌の速度・加減速の向上につながった。

現代の速度制御の実際

MUST: 電動機の種類や制御回路の種類はこの記事で説明しない!!!

あくまで 電力の移動 に着目し、電動機が発生する出力、主回路装置が き電回路や電気制動用抵抗に電力をどの様に配分するのかを説明する

スタブ

加速

モーターを主回路装置に接続、電力を投入する。
き電線からの電力供給をモーターに回し、車輪が動力をレールに伝え、車輌が動き出す

だ行

モーターの電源をOFF、回路から切り離す。
車輌は惰性で走り続ける。

抑速・減速

モーターを主回路装置に接続、モータに発電用の電力を投入する(ちなみにこの操作は励起と呼ばれる)
車輪から伝わる減速力をモーターから取り出し、電気制動抵抗やき電線へ電力を渡す。
き電線に電力を渡すのは回生ブレーキと説明してもよい

停止(全電気式ブレーキ)

モーターを主回路装置に接続、モータに減速のための力を発生するよう電力を投入する
車輪から伝わる減速力をモーターから発生させ、電車を停止させる。
電車の停止と同時に速やかに電力を遮断する。

さらに方式について簡単な説明と、リンクをここにおいても良い

歴史

黎明期(1837〜1880年ごろ)

確認されている限りでは1837年に初の乗用電気車が走った。この時は電気車の中に電池が積まれていて、饋電設備は存在しなかった。また、電気車全体の速度はせいぜい人の歩く程度ぐらいしかなく、電動機の電気回路を入り切りする程度の制御が行われいたと考えられる。 1879年、ドイツのベルリン工業博覧会において初の饋電式の電気機関車が人の乗った客車を牽引した。電気機関車2.2kWの出力を持ち、直流150V・レール中央に置かれた第三軌条式の饋電線で駆動された。

実用期(1880〜1900年ごろ)

山岳区間やトンネルの多い鉄道において電気車が導入され始めた。また、同時期に交流送電網の発展があり、交流電化もこの頃に実験的に行われるようになる。Ward-Leonard速度制御が発明され、鉱山用の動く歩道で実用化された。