電気牽引駆動

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定義

電力を利用して前進させる駆動装置を電気牽引駆動と呼びます。電気駆動の主要な用途の一つは、人や物を一箇所から別の場所へ輸送することです。牽引駆動は主に単相交流牽引駆動と直流牽引駆動の2種類に分類されます。

電気牽引サービス

電気牽引サービスは以下のように広く分類できます：

電車

幹線列車
郊外列車

電気バス、路面電車、トロリー
バッテリーやソーラーで駆動する車両

これらの電気牽引サービスについて詳しく説明します。

電車

固定されたレール上を走行する電車はさらに幹線列車と郊外列車に細分化されます。

幹線列車
これらの列車では、モーターへの電力供給方法は2つあります：電気機関車の場合には架線から、ディーゼル機関車の場合にはディーゼル発電セットから供給されます。

電気機関車では、駆動用モーターは機関車自体に内蔵されています。鉄道の軌道沿いまたは上方に架空送電線が設置されています。集電装置は導電帯を装備した電流収集器が機関車に取り付けられています。この導電帯は供給導線に沿って滑り、電源と機関車間の電気接触を維持します。供給導線は一般的に接触線と呼ばれます。電流収集器と供給線との信頼性のある接続を確保するために、キャタナリーケーブルとドロッパワイヤーが使用されます。

高速列車ではパンタグラフ式集電装置が使用されます。五角形の形状からその名が付いています。この集電装置には、スプリングによって接触線にしっかりと押し付けられる導電帯があります。通常、鋼製のこの導電帯は、自身と接触線との間の一定の圧力を維持する重要な役割を果たします。この一定の圧力は垂直方向の振動を防ぎ、高速列車が高速で走行する際の安定かつ信頼性の高い電気接続を確保します。この安定した接続は列車の電気システムへの電力供給の継続性を保証し、円滑かつ効率的な運行を可能にします。

鉄道全体に単相電源が設置されています。電流は集電装置を通じて機関車に入ります。その後、降圧変圧器の一次巻線を通過し、機関車の車輪を通じて電源の接地に戻ります。変圧器の二次巻線はパワー変調器に電力を供給し、それが牽引モーターを駆動します。また、変圧器の二次出力は冷却ファンやエアコンなどの補助装置にも電力を供給します。

郊外列車
郊外列車は短距離輸送用に設計されており、比較的近い間隔で頻繁に停車します。加速と減速性能を向上させるために、郊外列車にはモータ付き客車が組み込まれています。これにより、駆動輪が担う列車重量の割合が全列車重量に対して増加します。

各モータ付き客車には電気駆動システムとパンタグラフ式集電装置が装備されています。通常、モータ付き客車と非モータ付き客車の比率は1:2です。高出力の郊外列車では、この比率は1:1に増加することがあります。モータ付き客車とトレーラー客車で構成される列車は電車（EMU）と呼ばれています。郊外列車の電力供給メカニズムは幹線列車と似ていますが、地下郊外列車は例外です。

地下鉄は直流（DC）電源システムを使用しています。これは、直流供給システムが電源導体と列車本体の間に必要なクリアランスが少ないためです。また、直流システムは電力変調器の設計を簡素化し、その複雑さとコストを削減します。地上列車とは異なり、地下鉄では架空送電線は使用されません。代わりに、電力は走行レールまたはトンネルの一側に設置された導体を通じて供給されます。

電気バス、路面電車、トロリー
これらのタイプの電気車両は通常、単モータ駆動の客車設計を特徴としています。道路沿いに設置された低電圧直流架線から電力を得ます。比較的低い電流要件であるため、電流収集メカニズムは通常、端部に溝付きのホイールが付いた棒、または接触弓で接続された2つの棒で構成されます。コレクターシステムは非常に柔軟に設計されており、電流の戻り路を確保するための追加の導体を含んでいます。

路面電車は鉄道上を走行する電気駆動車両で、通常は単モータ客車で構成されています。場合によっては、乗客容量を増やすために2つ以上の無動力トレーラー客車が連結されます。その電流収集システムは電気バスと同様です。電流の戻り路は鉄道の一方のレールを通じて確立されることがあります。路面電車は固定されたレール上を走行するため、道路上でのルートは予め決定され、信頼性と一貫性のある輸送サービスを提供します。

電気トロリーは主に鉱山や工場内で材料の輸送に使用されます。これらの車両は主に鉄道上で走行し、路面電車と多くの類似点を持っていますが、主な違いは物理的な形状にあります。

電気牽引駆動の重要な特徴

電気牽引駆動の主要な特性は以下の通りです。

高トルク要求：牽引駆動は起動および加速フェーズで大きなトルクを生成する必要があります。これにより、車両の重い質量を克服し、効率的に目標速度に達することができます。
交流牽引における単相電源供給：経済的な考慮から、交流（AC）牽引システムでは通常、単相電源供給が使用されます。これはインフラ、発電、配電に関連するコストを削減し、全体的な運用を財政的により実現可能にします。
電圧の変動：電気牽引システムの電力供給では、電圧の大幅な変動が見られます。特に機関車が一つの供給セクションから別のセクションに移動する際に、瞬間的な中断が生じることがあります。このような電圧変動は牽引設備の安定した動作に課題をもたらすため、慎重な設計と制御戦略が必要となります。
高調波干渉：交流と直流の両方の牽引システムは電源に高調波を注入します。これらの高調波は近くの電話回線や信号システムに干渉し、通信や信号インフラストラクチャに障害を引き起こす可能性があります。適切なフィルタリングと緩和策は、これらの干渉を最小限に抑え、これらの重要なサービスの正常な機能を確保するために不可欠です。
ブレーキシステム：牽引駆動は主に動的ブレーキに依存しており、これは移動中の車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、熱として放出するか、電力網にフィードバックします。また、車両が停止しているときには機械ブレーキが使用され、安全な停止と保持能力を提供します。

電気牽引駆動の負荷サイクル

電気牽引駆動の負荷サイクルは、速度時間曲線とパワー・トルク・時間図の分析を通じて効果的に理解できます。平坦な軌道上の2つの連続する駅間を運行する牽引駆動を考えてみましょう。最初に、列車は最大トルクを使って加速します。この加速フェーズでは、駆動の電力消費量は速度とともに線形に増加し、慣性を克服して車両を前進させるために必要なエネルギーを反映します。

t1時点では、牽引駆動は基準速度に達し、同時に最大許容電力も達成されます。その後、定電力条件下でさらなる加速が続きます。このフェーズでは、速度が上昇するにつれてトルクと加速度は徐々に減少します。

t2時点で、駆動トルクは負荷トルクと等しくなり、一定速度が達成されます。0からt2までの加速プロセスは2つの異なる段階に分けられます。0からt1までは、一定トルクによる加速で、駆動は一貫した回転力を適用して迅速に速度を上げます。次に、t1からt2までは、定電力条件下的に加速が行われます。ここで、速度が上昇するにつれて、駆動は固定の電力出力を維持するためにトルクを犠牲にし、加速度が徐々に減少し、t2で負荷トルクとの均衡が達成されます。