回生ブレーキについて

質問

回生ブレーキについて、ウィキペディアで調べたのですが、
『鉄道においては、電車・電気機関車で用いられ、それらの主電動機で発電し、発生した電気エネルギーは架線に戻す。このことにより、列車の消費電力を削減（力行時と制動時で相殺）出来る他、地下トンネル内の温度上昇の問題も軽減できる。』
と書いてありました。

…地価トンネル内の温度上昇の問題？

完全に意味が分からないのですが。
回生ブレーキを使わないと、何故地下トンネル内の温度が上がるのでしょうか。
また、上がるなら、どれくらい上がるのでしょうか。

知っている方いらしたら、回答お願いします。

回答No.6

noname#60878 · ベストアンサー

問題を整理します。
エネルギーに関する物理学的な問題。
運動している物体は運動エネルギーを持ちます．これを止めるには、運動エネルギーを他のエネルギーに変える必要があります．そして、エネルギーは、最終的にはすべて熱になります．

実際的なこと．
通常のブレーキは摩擦によって、熱エネルギーに変えます．摩擦する機構は簡単で確実なのですが、ブレーキを多く使用すると、摩擦部分が摩耗したり、発熱によってブレーキの利きが悪くなる問題があります．(このあたりは、自動車と同じです．)　
特に、長い下り勾配のある山岳路線や頻繁に加速停止を繰り返す都市部などでは、この問題がありしまた．下り勾配では、車輪が熱で緩むということもありました．鉄製の車輪を摩擦してブレーキをかけると、車輪の摩耗以外にも、飛散する鉄粉による汚染という問題もありました．

幸い、電車の場合は、モーターを逆に使用して発電機として利用することが可能(モーターと発電機の基本的な構造は同じだから)です．自動車のエンジンブレーキと同じ感覚です．
ただ、発電機ですから、発電した電気をどこか余所で吸い取ってやらないとブレーキとして作用(発電機に電流を流すほど発電機を回すのに力が必要になります．)しません．自転車のライトをイメージしてみてください．ライトを点けると漕ぐのが重くなります．
最近の電気自動車などでは、発電した電気は蓄電して、自身が再利用するのですが、鉄道では、そのようにはなっていません．電気を消費する必要があります．

発電した電気は電圧も電流も一定では無い(ブレーキ力や車両の速度によって変動するので)ため、そのままでは利用しにくい問題があります．電圧を架線の電圧まで上げて、架線に送り返せば、他の車両などで使用できる(電力回生という)のですが、この昇圧回路が必要になります．また、昇圧して送ったところで、ブレーキをかけた時にこれを使用する物(加速中の車両など)が無いと、電流が流れないので、ブレーキが利きません(回生失効という現象)．回生を制動に使うには、発電した電力を吸い上げる設備が必要になります．このため特定の限られた路線(上越線など)でしか使われず、評判も良くありません(その後使用中止)でした．
いちばん簡単な方法は、車両で発電した電気をそのまま熱にして捨ててしまうことです．幸い、昔の電車は速度調節のために大きな抵抗器を持っておりました．この抵抗器に電気を流せば、電熱器として働き、ブレーキが作用します．ブレーキ力の調節も加速時の回路をそのまま使って可能です．高速時に安定した制動力が得られることから、特急車両などにも好適でした．特に地上設備の変更が必要無いので急速に普及しました．(抵抗を持たない交流用の車両はこのブレーキが使えない．制動専用に抵抗器を搭載した車種もありました．)
半導体技術の普及により、抵抗を使わない速度調節回路(チョッパ制御)ができました．しかし、抵抗器が無いと発電した電気を消費できない．このため発電ブレーキをあきらめた車種もありました．すると(抵抗制御車とペアで使う工夫もありましたが)高速での制動力不足や摩耗の問題がふたたび．
ところが、チョッパの回路は少し追加すると、昇圧回路として使えます．「チョッパ＋回生」は省エネ効果の点でも注目されました．あとは、地上側の設備だけです．インバータ技術の発達によって、架線の余分な電気を駅設備などに使う(神戸地下鉄など)とか、地域配電網に送り返すなども可能となりました．
最近のＶＶＶＦ車は、加速から減速まで、インバータ技術で支えられています．ＶＶＶＦは車両の性能向上や維持費の軽減などの効果が大きいので、この点から採用されるケースも増えていますが、制動時には回生が基本です．

地下鉄での問題
当初は、車輪の摩耗防止や鉄粉の飛散防止の点から、発電ブレーキが採用されました．相互乗り入れなどで地下に入る車両は、発電ブレーキ付きに限定されるケースが多かったのです．
ところが、地下は熱が周囲に逃げにくいので、トンネルや駅の温度が上昇する問題があります．駅やトンネル内に換気装置や冷房装置を付けて熱を外に出すようになっているのですが、列車本数が増えるにつれて追いつかなく(冬でも25度以上の区間もあった)なって、夏場の温度上昇が問題となりました．車両自体も冷房装置を搭載するようになって、冷房の廃熱が追い打ちをかけます．(当時は地下線区では冷房を切ることが多かった．)
あとは、車両自体から出る熱を減らすしかありません．制動時の発熱を減らすには、回生制動にして発生した電力をトンネル内で熱にしないこと．加速時の発熱を軽減する(節電)には、チョッパ制御などが効果的で、運転性能も向上します．前述のようにこの組み合わせは合理的です．
地下鉄のように運転頻度が高く区間が限定されている場合は、回生に必要な地上設備を設けても経済的に引き合うことから、「チョッパ＋回生制動」は急速に普及しました．最近の省エネＶＶＶＦ車では、冷房器からの発熱を含めても、以前の抵抗制御車の７割程度以下の発熱量です．

回答No.5

Alpinia120

たとえば自転車のブレーキをかけるとリムとブレーキパッドが熱くなります。自動車のディスクブレーキもブレーキを多用するとディスクが熱くなります。一般的に動いているものを停止させるときは運動エネルギーを熱エネルギーに変換して停止します。

　マニュアル車の自動車で長い下り坂を下るときにシフトダウンさせるとエンジンブレーキが働いて減速しますが、シフトダウンによって抵抗が大きくなり減速しています。これは動くためのシステムを制動に利用するところが電車の回生ブレーキと似ていますが、運動エネルギーを熱エネルギーに変換しているところは自転車のブレーキと変わりありません。

　回生ブレーキは自動車のエンジンに相当するモーターを発電させることで抵抗として減速させ、運動エネルギーを熱エネルギーではなく電気エネルギーとしていますので温度上昇を防げています。

　自転車で発電機式のライトを使うと走行抵抗が増えて運動エネルギーになるはずの脚力からの出力が電気エネルギーとして光になるわけですが、このとき発電機自体も熱くなっています。

　人間の体重と自転車の重量を制御するだけでもこのぐらいの熱を出すのですから、電車の重量を停止させるエネルギーによる発熱は具体的な数字は知りませんが相当のものと思います。

回答No.4

trombravo

実際に発電ブレーキの地下鉄車両に乗れば分かります。
駅に到着時、床下の抵抗器から盛んに熱が出ています。
東京の地下鉄ですと、旧型の残っている都営浅草線で時々見ることが出来ます。

回答No.3

ultraCS

発電ブレーキで回生を行わない場合、抵抗器で熱に変えます。ですから、その熱はトンネル無いに放出されるので温度上昇を招くわけです。
どのくらい上がるかについては、かつて、営団がトンネル冷房を試みたときに、車両冷房と比較して試算したはずですが、現在、資料が見あたりません。

ブレーキというのは、基本的にはエネルギー変換器で運動エネルギーを他の形、熱、音、ライニングやディスクの変形などに変えて奪う装置です(押さえるから止まるのではありません)。
回生ブレーキでは、運動エネルギーを電気に変え、他の電車の運動エネルギーとして消費しています。
モーターをつないでいても、その電気を何かで使ってやらないとブレーキの作用は出来ません、回生ブレーキの場合、他の電車が使い切れなかったり、列車密度が低い場合、この電気を消費するために抵抗器を沿線に設置した事例もあります。

回答No.2

chie65536

モーターを発電機のようにして運動エネルギーを電気エネルギーに変えて架線に戻せば、発熱が抑えられるからです。

電気エネルギーを架線に戻せないと、行き場のない運動エネルギーが熱エネルギーに変わってモーターが発熱して、熱としてトンネル内に放出され、トンネル内の温度が上昇します。

ただでさえ、車輪とレールの摩擦熱が出ますし…。

どのくらい温度が上がるかは、ちょっと判りません。時と場合に拠るでしょうし。

回答No.1

4500rpm

回生しないで、発生した電気を熱として放出する発電ブレーキというのがあります。これをふまえた記述と思います。http://park2.wakwak.com/~genzo/takasakisen/coach/word.html
どれぐらい上がるかは不明。