電車、新幹線について

質問

こんにちは。車好きのRE-heartです。電車については無知なので質問させていただきます。

先日新幹線に乗っていて思ったのですが、
電車、新幹線ってどうやって加速してるんですか？
車ならミッションがあり１速より２速のほうが最高速があり５速の場合最後の５速がもっとも最高速を出すことができます。
ところが新幹線はシフトチェンジをしないでスムーズに加速します。
モーターの電圧を上げてるだけなのでしょうか？

分かる方どうかご教授ください。

回答No.6

shinkun0114 · ベストアンサー

#1です。なんかごちゃごちゃになっていますので、補足しておきます。

#3～#5の方が書かれているのは、#1で書いたモーターにかける電圧を変化させる仕組みです。

●昔の新幹線
　新幹線は交流を受電して走ります。
　昔は交流を直流に変えて、直流モーターで走っていました。
　電圧を変えるのは交流を直流に直すときに行ないます。
　ご存知の通り、交流はトランス（変圧器）の巻き数を変えることで簡単に電圧を
　コントロールできます。この変圧器の制御により電圧を変えていくシステムを
　タップ制御と言います。これは初代の新幹線に使われました。

　また、サイリスタと呼ばれる半導体を使うと、交流の波形を一部だけ取り出すことができます。
　波形の取り方でも電圧がコントロールできます。この方式は電気的な接点がなく信頼性が高い方法で、
　二代目の新幹線に使われました。

●昔の一般の電車
　#3で書かれている方法は、昔の一般的な電車の方法です。
　一般的な電車は直流を受電します。直流は交流と異なり簡単に電圧を変えられません。
　そこで、間に抵抗器を挟んだりモーターの直並列を切換えることで、
　電圧を徐々に変えていくわけです。これを直並列制御とか抵抗制御と言います。
　抵抗や直列・並列を切換えるときには、ガクンという軽い衝撃があります。

　また、さきほどのサイリスタを用いると、無段階に電圧をコントロールできます。

●最近の電車・新幹線
　最近の車両は、交流モーターを使っています。
　いわゆるインバーターと呼ばれるもので、電圧と周波数を変化させた特殊な交流を
　使います。インバータで交流を作るには直流電源が必要です。
　したがって、新幹線の場合でも
　　交流(50/60Hz) →　直流　→　交流(可変周波数)
　のようにいったん直流に直します。
　最終的には交流になるわけですが、この交流は電源周波数や電圧が一定でないもので、
　受電する交流電源とはまったく別物になります。

回答No.5

townser

失礼。

１００系までは直流モータですね。勘違いしていました。書き込みしてから気付くのでは遅いのですが……。なんか最近こんなんが多いです。

以下のように訂正します。すみません。

誤）
新幹線は、直流モータではなく、交流モータです。これは初代０系からそうです。ですので、＃３さんの書かれている内容は、新幹線についてはあてはまりません。なお制御方式は１００系まではサイリスタ位相制御やタップ制御が用いられています。３００系からはVVVF制御が用いられています。

正）
０系・１００系は、交流架線をタップ制御/サイリスタ位相制御を用いて直流電動機を駆動させ、３００系以降は交流架線をVVVF制御を用いて交流電動機を駆動させています。
新幹線は交→直または交→交ですので、＃３さんの書かれている直→直の抵抗制御/チョッパ制御等は用いられていません。

回答No.4

townser

＃３さんの回答に一部誤解があるようなので、失礼します。

新幹線は、直流モータではなく、交流モータです。これは初代０系からそうです。ですので、＃３さんの書かれている内容は、新幹線についてはあてはまりません。なお制御方式は１００系まではサイリスタ位相制御やタップ制御が用いられています。３００系からはVVVF制御が用いられています。

直流用の制御方式である抵抗制御、チョッパ制御ともに新幹線では用いられていませんし、また現在、新造されている直流用電車でも使われていない制御方式です。近年の車両は、直流架線を交流に変換してVVVF制御によって交流モータを駆動させています。

申し訳ありませんが、＃３さんのおっしゃっている内容は数十年前の制御方式です。（もちろん現在走行している車両の中にはそれらの制御方式のモノもありますが、新造車両についてはほぼVVVF制御になっています）

で、質問者さんの回答については、URLを参考にしてください。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%AF%E5%A4%89%E9%9B%BB%E5%9C%A7%E5%8F%AF%E5%A4%89%E5%91%A8%E6%B3%A2%E6%95%B0%E5%88%B6%E5%BE%A1

なお、誤解を恐れずに書けば、VVVF制御とは、モータに流す周波数のタイミングを変化させて、回転数を制御する方式です。１Hzなら１回転、６０Hzなら６０回転、という具合に周波数を変化させることでモータの回転数が代わり、結果、速度があがる、というものです。

これに対して直流用モータの制御方式はモータにかかる電圧を変化させて回転力を制御する方式です。具体例は＃３さんの内容で結構です。

回答No.3

x530

新幹線の架線電圧は交流２５０００Ｖですが、車内で直流１５００Ｖに変換しています。
新幹線の動力用モーターは１５００Ｖ直流モーターです。
モーターに１５００Ｖが掛かったときがフルパワーになります。
一般的な動力車両は、２両で一組になっています。
２両一組を１ユニットといいます。
１ユニットには車軸が８本あります。
この車軸一つ一つにモーターが付いています。
１ユニット２両でモーターは８個付いています。

動き出すときは、モーター８個を「全部直列」につなぐ配線にします。
その両端に１５００Ｖを掛けます。
モーター１つにかかる電圧が１５００Ｖの１／８になるので、１８７．５Ｖに落とせます。
スタート時は１８７．５Ｖでモーターを回すわけです。
Ｍ１－Ｍ２－Ｍ３－Ｍ４－Ｍ５－Ｍ６－Ｍ７－Ｍ８（モーター一つ当たり１８７．５Ｖ）

モーターが１８７．５Ｖで一杯一杯の回転数に上がったら、次はモーターを「４つずつ２列の並列」につなぎ直します。
これで、モーターにかかる電圧が３７５Ｖになるわけです。
Ｍ１－Ｍ２－Ｍ３－Ｍ４（モーター一つ当たり３７５Ｖ）
Ｍ５－Ｍ６－Ｍ７－Ｍ８（モーター一つ当たり３７５Ｖ）

モーターが３７５Ｖで一杯一杯の回転数に上がったら、次はモーターを「２つずつ４列の並列」につなぎ直します。
これで、モーターにかかる電圧が７５０Ｖになるわけです。
Ｍ１－Ｍ２（モーター一つ当たり７５０Ｖ）
Ｍ３－Ｍ４（モーター一つ当たり７５０Ｖ）
Ｍ５－Ｍ６（モーター一つ当たり７５０Ｖ）
Ｍ７－Ｍ８（モーター一つ当たり７５０Ｖ）

モーターが７５０Ｖで一杯一杯の回転数に上がったら、次はモーターを「１つずつ８列の完全並列」につなぎ直します。
これで、モーターにかかる電圧が最大の１５００Ｖになるわけです。
Ｍ１（モーター一つ当たり１５００Ｖ）
Ｍ２（モーター一つ当たり１５００Ｖ）
Ｍ３（モーター一つ当たり１５００Ｖ）
Ｍ４（モーター一つ当たり１５００Ｖ）
Ｍ５（モーター一つ当たり１５００Ｖ）
Ｍ６（モーター一つ当たり１５００Ｖ）
Ｍ７（モーター一つ当たり１５００Ｖ）
Ｍ８（モーター一つ当たり１５００Ｖ）

新幹線など、電車の基本的な変速方法は以上のようになっています。
実際には、つなぎ方のほかに「抵抗器」という部品を使ってより滑らかに変速するようになっています。
これを「直列並列制御」といいます。
近年、実際には、「界磁チョッパ制御」が主流になってきました。

玩具のモーターは、内部の回転子にコイルが巻いてあり、回転子が電磁石になっています。
外部に配置された固定の永久磁石が、内部の回転子を挟んでいる構造です。

電車のモーターは外部に配置された固定の磁石も電磁石です。
「界磁チョッパ制御」は、外側の電磁石の強さ（磁力）をコンピュータと半導体で制御する仕組みになっています。
基本的には、「直列並列制御」と同じです。

回答No.2

shinkun0114

#1です。

実際の運転について補足しておきます。

先ほど、速度に応じて電圧を上げていくと書きました。
昔は、運転士が手動でマスターコントローラー（アクセルに相当）を操作して
ちょっとずつ電圧を上げていったのですが、現在は機械が自動でやってくれます。

現在のマスターコントローラーは、アクセルとは異なり、オートマのシフトレバーに
近いものです。どこの段に入れても基本的に加速は同じで、どこまで速度を上げるか
に関係しています。（特例として1段目だけは、ゆっくり加速するようにできています）

回答No.1

shinkun0114

●電車はシフトチェンジしない
　結論から言いますと、電車はシフトチェンジしません。
　ギアは一定で、クラッチもありません。
　モーターと車輪は常に直結されている状態です。

●エンジンとの違い
　自動車はエンジンを使います。
　エンジンの泣き所は、ある程度回転数がないと力が出ないことです。
　また、回転数がゼロのときはエンスト状態で、まったく動きません。
　ですから、クラッチなどの機構や、ギアを変える必要があります。

　一方、電車はモーターを使います。
　電車に使われるモーターは特性上、回転がゼロのときに最も力が出ます。
　ですからクラッチは必要ありません。電気を流せばすぐ回るのです。

●加速の仕方
　最初から高い電圧をかけていくと、力が出すぎて空転したり、
　電流が流れすぎてモーターが焼けてしまったりすることがあります。
　そこで、最初は電圧を低くしておきます。
　速度が上がってくると、流れる電流が減り、力が落ちてきますので、
　徐々に電圧を上げていきます。電圧を最高まで上げると、それ以降は
　加速力が徐々に落ちていきます。
　高速域の加速を助けるために、モーターの一部を短絡させることも
　行われます。

　最近の電車では、従来の直流モーターに代わり、交流モーターが使われています。
　電子制御で電車の速度に応じた電圧波形をモーターに送り、これに合わせて
　モーターが回るようになっています。しかし、電圧と力の関係は基本的に従来と同じです。
　ときおり、電車がギアチェンジをするような音を出していることがありますが、
　あれは電圧波形を作る制御機器の関係で出る音です。
　音の変化に応じてトルク特性が変わるわけではありません。