回生ブレーキはどうして実用になるのですか

質問

回生ブレーキの仕組みなどは分かるのですが、なぜこれが実用になるのか理解できません。

電車はパンタを降ろしていない限り電力消費がありますが、回生制動車が存在しなくても普通に変電所から受電しているはずです。

そこへ回生制動車がブレーキをかけて発電したからといって、他の電車が一体どうやってそれを検知し、またその電力の優先使用を行えるというのでしょう？
それまでと同様に変電所からの電気を使い続ける方が自然だと思います。

回生制動車の発電電圧が架線電圧よりも高いからなのか、ぐらいしか考え付きませんがそんな事が理由になるとも思えません。

回答No.10

shibamint

No7です。
よそ見をしていたら、奥深くに移動してましたね。

「これではこのホイールは変電所からの電気を喰って回るただのモーターになってしまいはしないだろうか？よしんば同軸で発電も行っているとしても電動発電機になるだけであり、どちらにしろロスを出すためだけの存在にしかなり得ないのではないか？」

その通りなのです。

発電所っていくつもあって、送電してますね。
送電線は停電を避けるいため、いくつかの系統と繋がっています。
(架線に変電所と回生中の電車が引っついているのと同じです)
でも、発電所の発電機はモーターになることはありません。
これは、説明しにくいのですが5人乗りの自転車をみんなで
こいでいることと同じでひとりが一所懸命こいでもあとの4人が
楽にはなるけど、こがなければ自転車は止まってしまいます。
(うーん、分かりにくいな、、、)

エーと、みんながこいでいればその勢いで(慣性)で多少の坂道なら
同じ力で乗り越えることができます。
つまり、特別な電力を要することなく、電力の平坦化ができる
ことがメリットなのです。

特別な電力ということで変電所の規模(ピーク対応)も小さくできて
結果的に省エネになります。
この夏の省エネが叫ばれていますが、まさにこのことが目的です。

想像ですが、フライホイールには電圧を監視している継電器みたいな
仕組み(制御)があると思われます。
これは、おっしゃる通り架線からの電力でフライホイールの回転を
抑制するためと思います。

鉄道のカテなのに電力の回答になってしまって申し訳ありません。

お礼

ご回答ありがとうございます。

何となく理解できたような気はします。

後で思い出したのですが、フライホイールは電力配線にも既に使われているか、そういう構想があるということでしたね。
ミニマム揚水発電所といった感じなんだと思います。
よっぽど重いホイールを使わないといけないでしょうから、保守なんかも大変だとは思うのですが。

>想像ですが、フライホイールには電圧を監視している継電器みたいな
>仕組み(制御)があると思われます。
>これは、おっしゃる通り架線からの電力でフライホイールの回転を
>抑制するためと思います。

なるほど。
架線電圧が低ければ回生電流を使用してくれる電車が多いということを意味しているわけですからね。
その場合は逆にホイールの方も発電して変電所の補助をするということなんでしょうね（回転数の上限の関係からも運動エネルギーを減らす必要があると思います）。

回答No.9

こげ まぐろ（@koge-magu）

こんばんは。
No.6です。
このような箇条書きな回答は失礼かとは思いますが、質問者様の疑問に的確に答えたいのでお許しください。

＞失礼な表現でしたら申し訳ありませんが、案外とアバウトな感じなんですね。

そうですね。
アバウトなモノです。
饋電区間に大きな変電所が一つ、
後は、その区間に居る電車が小さな発電所として電気を供給する。

・・・そういうモノです。

当然、架線電圧は上がったり下がったり、一定なモノでは無いのは推察通りです。

電力供給の弱い区間で力行、架線電圧が下がって空調が停まる（DC1200V位になると動作下限電圧を下回り動かなくなる）、更に下がってDC1000Vになると加速自体出来なくなってノロノロ。
架線電圧が高い区間で、回生制動車の多くがブレーキを使えば回生失効し、空気ブレーキで停止させる。
そういうモノです。

どこの電気が来ていて、選んで使用しているのではなく、
電気は複数供給箇所があり、ごちゃ混ぜになり、電車の回生ブレーキの掛かり具合は架線の電圧次第。
これが実際の所です。

だから、

＞必要なブレーキ力を生じさせるための量より多すぎても少なすぎても、また途中でみだりに変動してもいけないわけです。

・・・この前提は、動作の理屈の説明としては良いのですが、実際の場面においてはあり得ないハナシです。
架線電圧はみだりに変動するので、回生制動力は変動し、その制動力変動に備えるため空気ブレーキで補足するモノですから。

＞回生ブレーキ使用車両は1800Vの電圧を架線にかけねばならないことになりそうです。

電気の専門家ではありませんので、実際にどの位の電圧を架線に戻しているかは分かりませんが、
DC1800V位で回生失効（架線に電気を戻さない）するので、おそらくその程度の電圧は架線に戻しているものと思います。

＞その混ざる割合は偶然、でたらめなものではなく、ちゃんと電力会社が何らかの手段で制御しているという点が重要です。

質問者様の感覚に即して答えるならば、「デタラメ」なモノです。
制御などしていません。
デタラメなモノでなければ、私の仕事もどれだけ楽か。

＞ここである電車が回生制動を使おうとした場合、制動力に見合った電力を他の電車が消費しなくてはなりません。

理屈ではその通りです。
しかし、先に書いた通りで、デタラメで消費するしないは他の電車の位置次第。
正に、「運」です。
現実ではそんな理屈通りに物事は進みません。
消費してくれないから、空気ブレーキによって補足し、場合によっては回生力全てを置き換えて停めるのです。

最後に、最近の鉄道車両のブレーキの流れなのですが、

ブレーキシューの摩耗を減らす、
30トンなり40トン近いモノがレールの上を高速で走る乗り物なので、
なるだけ回生ブレーキを中心に制動力を得るように、車両は制御しています。

◇まず、電動車（モーターの付いている車両）の回生ブレーキによって、運転士が求める制動力の殆どを出す。
付随車（モーターの付いていない車両）は、ブレーキシューを当てているだけで車輪を締めていません。

◇架線電圧が上昇し回生力が足りなくなると、足りない分の制動力を電動車のブレーキシューを締める事で補う。

◇それでも尚、制動力が足りない場合は、付随車のブレーキシューを締める事で、編成全体の制動力を確保しています。

この「遅れ込めブレーキ」という制御の仕方が殆どです。

架線電圧の状況と、この遅れ込めブレーキ制御による空気ブレーキの補足によって、
電車の制動をしています。

お礼

再度のご回答ありがとうございます。

頭が固い人間相手にお時間をお取りいただくことになり申し訳ございませんでした。

箇条書きの件ですが、それって失礼に当たるものだったんですか。
そういうお礼しか書いてこなかったようですので気を付けるようにします。

さて本件の方は今回のご回答でやっと何となく理解できたように思います。

別の回答者様のお礼に「発想の転換が必要かも」と書いたのですが、まさにそうだったようです。

10回試みて10回ともうまくいくような事は最初から考えておらず、架線より高めの電圧を送り返してやればたぶん消費して貰える「だろう」という感覚ですか。
いや、目からウロコとはまさにこの事なんだと思います。
とにかく「なるほどねぇ…」としか言いようがありません。

でも思いもかけないところから、これに限らず何事ももっと柔軟に考えることをせねばならない、と気付くことができましたよ。

どうもありがとうございました。

回答No.8

FEX2053

＃６に本職の方が来ておられまして、その答えがすべてなんですが。

一度、運転台の後ろで「電圧計」「電流計」をずっと見てみてください。
回生車は、ブレーキをかけた瞬間「電圧計」がすっと100V以上、ときに
200V近く上昇することがわかるはず。ブレーキをかけるときに電圧が
高いと、電流計の針も大きく振れず、その分「ブレーキ管圧力計」が
上がっているのも見て取れるかと。

たまにしっかり電圧が高すぎて「回生失効」をやらかし、空気ブレーキ
だけで止まったりします。昔、215系が試運転中に、回生失効がうまく
働かず素子がパンクして、本線上に立ち往生した・・・って話もあったり
するんですね。

運転台の後ろって、こういう楽しみがあるんでやめられないんです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

>運転台の後ろって、こういう楽しみがあるんでやめられないんです。

近年はさすがにこれはやらないので知らなかったのですが

>ブレーキをかけるときに電圧が
>高いと、電流計の針も大きく振れず、その分「ブレーキ管圧力計」が
>上がっている

今の電車ってそんなに不安定なのですか（余分だと思いますが多分ブレーキ管ではなくブレーキシリンダですよね）。

昔京阪2000系にはよく乗って運転台にへばりついていたものですが、回生制動使用時、それが低速失効するまでにBC圧が変動するなんて見たことがなかったですね。

回答No.7

shibamint

ご質問の意味からすると鉄道に限らないことだと思いました。

すでに回答にあります通り、架線電圧は「公称電圧」でありしかも変動します。
回生ブレーキで発生した電圧は実際の架線電圧より高いことが条件です。

さて、回生による電気はどこに・・・ということですが、この場合
電気は(電位の)高いところから低いところに流れるといった基本的な
特性を利用しているに過ぎません。
電力会社に多くの発電所がありますが、我々が何ら考えることなく
電気を使用していくのと同じです。

つまり「電池の並列」と同じなのです。

回生ブレーキによるエネルギは消費されなければ本来の意味を持ちません。
そういうことの改善として蓄電技術が発達しすでに実用化されています。

http://www.keikyu.co.jp/csr/environment/environment02_9.html
http://miura-and-others.cocolog-nifty.com/blog/2009/04/post-176f.html
http://www.rtri.or.jp/rd/division/rd79/rd7920/rd79200107.html

http://www.khi.co.jp/gigacell/use/bps.html
http://www.khi.co.jp/news/detail/20110118_1.html

お礼

ご回答ありがとうございます。

リンク先のフライホイール等を見ましたが、これに関しては質問本件以上の疑問を感じてしまいました。

このホイールは回生制動の発生電力を利用するという以上、架線（き電線）につながっていると思われます（まさか回生制動車と専用線で接続などできないでしょう）。

しかしそこには当然変電所からの電気も流れている（正確には流れることが可能）わけです。

以上をふまえ、これを見た人がなぜ以下の疑問を持たないのか私は不思議に思えてなりません。

「これではこのホイールは変電所からの電気を喰って回るただのモーターになってしまいはしないだろうか？よしんば同軸で発電も行っているとしても電動発電機になるだけであり、どちらにしろロスを出すためだけの存在にしかなり得ないのではないか？」

このホイールが実用性を持つにはそれこそ、回生制動からの電気と変電所からの電気の「よりわけ」が必要になると思います。
まあこの「よりわけ」の方法を教えて下さい、というのがもともと本質問の趣旨であるわけではありますが…。

回答No.6

こげ まぐろ（@koge-magu）

こんにちは。
電車運転士をしております。

質問者様の中で、変電所が架線に供給している電圧は、
各鉄道会社が会社要覧で記している電圧そのまま流していると思っていらっしゃいませんか？

私の会社はDC1500Vの鉄道会社なのですが、
回生車を扱う鉄道会社は、どの会社もDC1500Vそのままは流していません。
DC1300Vなり、少し低い電圧で送電しています。

そして、時間帯であったり、季節（夏だと使用電力量が上がる）で、休止している変電所を動かしたり止めたりして使用電力量を調節しています。
変電所が休止している間の送電は、隣接する変電所の送電によって滞りなく日々業務しています。

電車が加速する際（力行）は、架線電圧が下がり、
電車が減速する際（制動）は、架線電圧が上がり、

電車の回生ブレーキで発生する電圧には限りがあり、架線電圧が上がり過ぎると回生ブレーキそのものは成り立ちませんので、
回生制動力低下であったり、回生失効し、電車のブレーキキャリパによる空気ブレーキによってフォローする。

このような形となります。

＞回生制動車の発電電圧が架線電圧よりも高いからなのか、ぐらいしか考え付きませんがそんな事が理由になるとも思えません。

実はそんな事が理由です。
だから、回生車は昔の電車と異なり制動力が急変しやすいので、詰めたブレーキ前提で乗務しているとブレーキ扱いが難しいのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

>電車運転士をしております。

まさにそれを専門としておられる方にご回答頂けて嬉しく思います。

>回生制動力低下であったり、回生失効し、電車のブレーキキャリパによる空気ブレーキによってフォローする。
>
>だから、回生車は昔の電車と異なり制動力が急変しやすいので、詰めたブレーキ前提で乗務しているとブレーキ扱いが難しいのです。

失礼な表現でしたら申し訳ありませんが、案外とアバウトな感じなんですね。
ラッシュ時にあれだけの電車が遅れも出さずに整然と運行されているのを見ると、余程精緻なシステムが全体に張り巡らされているのだろうと思っていただけに意外です。
まあでもこれは逆にそれが実現できるのは運転士の方々をはじめ、関係していらっしゃる人々の力によるところが大きい、ということなんでしょうね。

回答No.5

kuma-gorou

難しく考え過ぎ。

商業電力を考えてみましょう。
今。家庭にきている電力は、Ａ発電所で作られた電力ですか？　Ｂ発電所で作られた電力ですか？
いやいや、太陽光発電で売電された電力ですか？

実は、色々なところで作られた電力が混ざっているのす。
発電に関して言えば、５人乗りの自転車を考えてみて下さい。５人が力を合わせて一斉に漕ぐ。１人が怠けると他の４人に負荷が掛かる。坂道だと全員に負荷が掛かる。

当然、発電には定規格出力があるので、負荷がそれを超えると電圧降下が発生する。そこで、余裕の有る発電所の出力を上げて、電圧降下を防ぐ。

電車の場合も、変電所から送られてくる電力か回生ブレーキで発電された電力かなんて関係ないので、電車の方で、それを検知する必要はありません。
要は、変電所のセクション内で、その電力を消費してくれる電車が存在すれば良いし、電力を消費してくれる電車が存在しなければ、回生ブレーキに負荷が掛からないので、ある程度の高密度運転区間にしか投入できないブレーキ方式なんです。

回生ブレーキと同じ方式で、発電ブレーキがあります。これは、発電した電力を架線に返すのではなく、抵抗器で熱に変えて発電した電力を消費するので、発電所のセクション内に他の電車が存在しなくても、ブレーキ力が得られるのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

>実は、色々なところで作られた電力が混ざっているのす。

もちろんそうですが、その混ざる割合は偶然、でたらめなものではなく、ちゃんと電力会社が何らかの手段で制御しているという点が重要です。

以下電車の話です。

回生制動が全く使われていなければ他の電車はすべて変電所からの電気を使用しているわけです。

ここである電車が回生制動を使おうとした場合、制動力に見合った電力を他の電車が消費しなくてはなりません。

他の電車の立場からは今使っている電気の一部を変電所からの物からこれに置き換えてやらなければならないということです（もちろんその電車自体がそれを意識する必要はありませんが）。

そしてそういった変化をおこすためにはそれ相応の根拠というものが必要でしょう。

またそれは決して他の電車の気まぐれや偶然などといったものではなく、そういった条件下では必ずそうなるという絶対的な理由が付いたものであるはずです。

そして私が知りたいのはその根拠や理由なんです。

>難しく考え過ぎ。

まあそういうことなんですかね。
発想の転換が必要かもしれません。

回答No.4

md30

簡単なことです。
回生ブレーキ車両も一つの変電所（発電所）と考えれば良いだけの事です。
一つがたくさん発電すれば他のところはすこしで良い。

お礼

ご回答ありがとうございました。

回答No.3

Tacosan

「それまでと同様に変電所からの電気を使い続ける方が自然だと思います」ということですが....

「変電所からの電気」と「回生ブレーキで発生した電気」とを, どうやって区別するのでしょうか?

お礼

ご回答ありがとうございます。

まさに区別ができない－回生ブレーキ由来の電力を他の電車が意図的に優先して消費選択できない－ことこそが、この疑問を抱く根本的な原因なわけなんですが？

回答No.2

watch-lot

＞回生制動車の発電電圧が架線電圧よりも高いからなのか、ぐらいしか考え付きませんが・・・
●そのとおりです。
電圧が高いから他の負荷に供給出来るのです。
考え方としては、回生制動の発電装置の内部インピーダンスと他の負荷（電車）への架線のインピーダンスで電圧降下が起こりますが、これと本来の供給点（変電所）からの電圧とインピーダンスで電圧降下があって、この両者が平衡するように電流配分が自動的に起きるのです。

簡単な式に表すと、
E0-(Z0+Z1)I1=Ek-(Zk+Z2)I2

ここで、E0:変電所の電圧、Z0:変電所の内部インピーダンス、Z1:変電所から負荷点までのインピーダンス、Ek:回生制動の発電電圧、Zk:回生制動の内部インピーダンス、Z2:回生制動から負荷点までのインピーダンス
I1とI2が負荷点での電圧を同一とするように配分されるという考え方です。
実際には負荷点は複数あるのですが、判りやすくするために１箇所としました（複数でも考え方は同じ）。

お礼

ご回答ありがとうございます。

う～ん…。
私の頭には難しすぎるようです。

>E0-(Z0+Z1)I1=Ek-(Zk+Z2)I2

これなんですが、簡単にするためにインピーダンス関連は双方とも１Ωであると仮定します。

そして回生制動使用車の電動機の定格は端子間電圧375V、出力112.5KWということにし、これを4台直列で定格いっぱいのブレーキ力が必要であるとします。

すると上式は
1500-I1=Ek-300
となりますね。

つまり
Ek+I1=1800

他の電車の総必要電力が少ない場合、回生ブレーキ使用車両は1800Vの電圧を架線にかけねばならないことになりそうです。
もちろん回生制動使用車の搭載電動機が例より大出力なら更に高電圧が必要になると思われます。
また逆に多くの電車が動いている状況では架線電圧より低い電圧で電気を架線に送り返せるということになってしまいます。

一体どこを取り違えてしまったのか自分では分かりません
ご教授をお願いします。

回答No.1

iBook 2001（@iBook-2001）

はじめまして♪

別に他の車体が感知したり、変電所がアンチする物では有りませんねぇ。

一定の電圧を掛けた架線に電流を戻すと言う事は、圧ではなく量の部分で返送しています。
変電所から一定の電圧を供給するため、消費電力が多く成れば、その分の電流を多く流す事になります。

一部の車両が電流を戻す事で、其の分、変電所から供給される電流を少なく出来る。
と言う事になるのですね。

ブレーキング時に、電力消費が少なければシステム全体ではその分が消費されなく成ります。
さらに、ブレーキング時に電力を架線に供給すれば、其の分、さらに変電所からの供給電力が少なくて済む事になるのですね。

家庭用のコンセント、何も繋がなければ消費電力は有りませんが、端子には１００Vの電圧が常に教空されています。

電圧と電流、その積となります電力と云う部分で、一面だけでは無くトータル的に考えてみて下さいね～♪

お礼

どうもありがとうございます。

何となく全体的な電力消費という観点から見た省エネについてお答えいただいているような感じがしました。

それも大事だとは思いますが、疑問に感じているのは回生ブレーキのシステム自体についてです。

回生ブレーキを使用する際、制御器が動作して回路を形成して直列両端に電位差が生じただけではダメで、実際に回生制動車→架線→力行中の電車→レール→回生制動車というループに沿って電流が流れ続けないことにはブレーキが効くはずがありません。

更にその電流は単に流れさえすればいいというのではなく、必要なブレーキ力を生じさせるための量より多すぎても少なすぎても、また途中でみだりに変動してもいけないわけです。

変電所からの給電には限界がない（実用上という意味で）わけで、すべての電車がそちらからの電気を消費してもおかしくありません。
それを回生ブレーキ由来の電流が多からず、少なからず、必要量だけ押しのけて他の電車に消費させることができる理由が分からないのです。