新幹線に送られる電流について

質問

電車に送られる電流には交流と直流があのですが。

走る電車が多い場合は直流。
走る電車が少ない場合は交流。

という特徴だという結論に至りました。

しかし、新幹線は走る電車が多いにもかかわらず交流となってます。
これは自分の至った結論に間違いがあるのでしょうか。

回答No.8

TOSHIZOU365 · ベストアンサー

質問者さまこんにちは。
まず、なぜ電車は直流送電だったのか？
電車は前後に走ります。
つまり、直流モーターを使用し、＋と－を入れ替えれば、ギア構造など簡単で正回転、逆回転ができます。
また、直流モーターは電圧を変化させれば、簡単に速度制御ができますので、昔は直流送電、直流モーターが電気鉄道には適しているということだったのです。
ただし、皆様がいわれているとおり、一度直流に整流してしまうと、簡単に大きな電圧から小さい電圧に変換できませんでした。
電車のモーターにかける電圧は７５０Ｖ程度で、抵抗とモーターの組み合わせで速度制御をしています。
例えば、交流２ｋＶを整流して直流２ｋＶを車内に取り込み、抵抗などで電圧を変化させるのは、抵抗の大きさも大きいのが必要となるし、モーターもそこまで耐圧を大きくすることも難しいのです。
また、整流するにしても、現在は小型で大きな電圧でも整流できる部品がありますが、昔は小型で整流できる部品はありませんでした。
電車を走らせるためには直流１５００Ｖは便利ですが、電圧が低く、また架線も細いですから、たくさんの電車が走行した場合、大量の電流が架線に流れます。
架線に電流が大量に流れると、架線も一応電気抵抗を持っていますので、電流に比例し、電車に届くまでの電圧が架線の抵抗で低下してしまいます。
そうすると、規定の１５００Ｖ（場所により、多少電圧変動しますが）をどの地点でも得るためには、地上設備である変電所をたくさん作らなければなりません。
大電流を扱う直流変電所はそれなりに大きな施設となり、いちいち発電所から送電されてくる交流をわざわざ直流としなければなりませんので、費用もかかります。
ただし、直流電化１５００Ｖもメリットはあります。
電圧が低いので、架線の設備で絶縁機材が少なくて済みます。
また、建築限界もある程度架線に接近は可能です。

時が経ち、小型の整流器の実用化が可能になってくると、今度は小型のトランスも用いて、車両側に搭載すれば、交流電化区間は高い電圧で送電できますので、同じ電車を動かすエネルギー（電力）の条件がおなじであれば、架線を流れる電流は少なくすることができます。
架線を流れる電流が少ないということは、架線の抵抗による電圧降下を少なくすることができます。また、あわせて、架線電圧の低下が少ないですから、変電所の数も減らすことができます。
ただし、デメリットとして、電圧が高いので、架線の周囲から十分に建築物など離す必要があります。碍子もそれなりに大きくなります。

質問者様の言っている。
走る電車が多い場合は直流。
走る電車が少ない場合は交流。
は単に「電化がどこから進んでいったのか」ということがわかれば、ちょっと違うということはわかっていただけると思います。
電化はまず最初、大都市圏から始まりました。大阪や東京ですね。
そして今度は、大阪～名古屋～東京が戦争前から戦後にかけて進展していきました。結局太平洋側は直流電化で進展して行きましたが、ちょうど九州や東北、北陸、北海道など電化の時期の前辺りで、そういった車載整流器や小型トランスの実現が可能となったため、電圧を降圧、整流を電車側でおこない、地上側は交流送電のための変電所を準備すれば、地上施設を少なくできるということになっていったのです。
大阪、名古屋、東京　周辺は大都市への通勤圏なので、電車がたくさん走っています。
ただ、後から電化された、九州、北陸、東北、北海道は電車本数が少ないので、この辺を勘違いされているかと思います。
でも、新幹線ができる前は東北方面も「東北本線」なのですから、首都圏ほどではありませんが、普通電車、快速電車、急行電車、特急電車とさまざまな電車がいっぱい走っていましたよ。
（いまではさびしい限りですが・・・・・）
日本は直流電化、交流電化は電気部品の発達によってこの様変化していったと考えるのが正解だと思います。

新幹線も在来線での交流電化が進展していった時に作り始めましたので、地上設備を少なくすることのできる交流を選択しました。
ただ、面白いのは東海道新幹線の交流２．５ｋＶは東京でも６０Ｈｚで送電されています。
これは富士川を挟んで西側の距離を多く走る新幹線は５０Ｈｚ、６０Ｈｚ両用の機器を載せるより、６０Ｈｚに統一してしまったほうが、車両製造価格が安価に抑えられるからです。
でも、最近半導体も安価になってきましたし、５０Ｈｚ、６０Ｈｚ両用のトランスなども実用化されていますので、長野新幹線用車両などは５０Ｈｚ、６０Ｈｚ両方走れる様になっています。

回答No.7

windwald

#4さん#6さんの通りでしょう。
ここでいう「距離」とは送電距離のことであって、
走行距離ではありません。
列車頻度の低い区間では、一つの変電所で長い区間に送電しようとするわけですから、損失の少ない交流が有利と考えられた時期があります。

ただ、新幹線のように非常に大きな電力が必要な場合は列車頻度よりも送電ロス等をメインに考える必要があるでしょう。

同じ電力を送るためには、電圧が同じであれば大電流が、電流が同じであれば高電圧が必要です。電流が大きいと、送電線でのロスが大きくなるため、高電圧で電流を小さく抑える方法が一般的です。しかし、直流では電圧の変換が交流に比べ簡単ではないために、高電圧では交流が一般的な送電方法となります。

なお、歴史的経緯はあまり関係ありません。東海道新幹線は開業当初でも30分に1本の高頻度運転を行っています。

回答No.6

icchanmiitarou

「新幹線テクノロジー」（佐藤芳彦著）によれば、やはり大きな電力を送るために交流にしたようです。電圧を大きく、電流を小さくが理想ですが、直流には変圧ができないため電圧を大きくできないという理由があります。No.1・No.5の方が正解だと思います。

No.4の方が

>走る電車が多い場合は直流。
>走る電車が少ない場合は交流。

ではないですよ、
距離が短い場合は直流
距離が長い場合は交流
です。

とおっしゃっていますが、やはり私は直流・交流を決める最も大きな要因は列車頻度だと思いますし、多くの鉄道書にもそう記されています。

また、No.3の方がモーターの違いについて書かれていましたが、交流モーターに都合がよいのは実は交流電化ではありません。なぜならば、鉄道車両で使われている交流モーターには三相交流が使われているからです。架線に流れているのは単相交流で、単相交流から三相交流を作ることはできません。そのためいったん直流に変換しています。そのため、実は交流モーターを使う際には交流電化のほうが手間がかかるのです。

回答No.5

nn408873758X

地上設備 ⇒ 直流 ＞ 交流
車両 ⇒ 交流 ＞ 直流

運転頻度が高い場合は直流が有利で、運転頻度が低い場合は交流が有利ということになります
（運転頻度が低くても、路線の距離が短いなどの場合には直流が有利になることもあります）

交流電化のメリットとして、直流よりも多くの電力を送電できる特徴があります
そのため、消費電力の大きい高速鉄道である新幹線では交流電化を採用したのだと思います

回答No.4

TT414

>走る電車が多い場合は直流。
>走る電車が少ない場合は交流。

ではないですよ、
距離が短い場合は直流
距離が長い場合は交流

です。

直流の方が電車内の回路が簡単になりますが小電圧、大電流を長距離に渡って送るわけにはいかないので、大電圧、小電流にしたいのですが、直流の大電圧を送って電車内で小電圧にするのが大変なので交流を使います。

新幹線は消費電力が大きいので、直流だと電気機関車並みのパンタグラフが必要になるので、交流でつかっています。

回答No.3

mermaid2004

●　昔は速度制御が出来、起動トルクが大きいのが直流モーターしかありませんでした

●　今は電子制御の進化でインバーターが開発され、交流モーターも速度制御が可能となりました

●　交流モーターは仕組みが簡単で堅牢、メンテナンスが簡単なのが特徴、従って安価です。

まとめ　昔の路線は直流で近年は交流と思います。

回答No.2

rinkun

歴史的経緯でしょ。
新幹線が近郊電車並みにバカスカ走るなんて作った段階で予想した人が居るわけ無いもの。

今となってはインバータが使えるのでバランスが変わってしまっているでしょうけど昔は
・直流だと電車は簡単だけど変電設備がたくさん必要
・交流だと変電設備は少なくて済むが電車が複雑になる
という特徴があったわけです。
だから質問者さんの結論はある意味正解でしょう。

回答No.1

keikyu2101

電圧が1500V等と低い場合、直流では送電ロスが大きく、大きな電力を必要とする新幹線には不向きであるという点も見逃してはいけません。