「発電ブレーキ」

[写真・画像] 「uシート」を設けたクモハ781形（2006年11月 / 旭川駅）

発電ブレーキ
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

　発電ブレーキ（はつでんブレーキ）とは、電気動力で駆動される車両や機器におけるブレーキ方式の一種である。ダイナミック・ブレーキ(Dynamic Brake)とも呼ばれる。 鉄道車両や産業機器において広く用いられている。
　直流電動機の場合、電動機への給電を止めて通常の駆動を停止し、ブレーキを掛ける際、電動機に抵抗器を介した閉回路を構成して、通常の出力側（車両では車輪）の回転により、電動機を回転させると、電動機が発電機として働き[1]、逆起電力（フレミング右手の法則）が発生し電気が流れ、それが抵抗器を介した閉回路を通って自らの電動機に戻ることで、電動機内で通常の回転とは逆の回転抵抗を生じさせ（フレミング左手の法則）電動機に制動力を得る。抵抗器は走行中の運動エネルギーを電気エネルギーに変換してジュール熱を発生させる。ブレーキ力は、抵抗器の容量によって変化する。
　なお、広義には回生ブレーキもこの部類に含まれるが、通常「発電ブレーキ」と表現した場合は、前述の抵抗器によるものを指す。また、発電ブレーキと回生ブレーキを合わせて「電気ブレーキ（電気制動）」と呼ぶことが多いが、その略称である「電制」は発電ブレーキを指す場合が多い。

1 鉄道車両
　鉄道車両では主に抵抗制御の電車や勾配区間を走行する電気機関車に使用されており、力行時にも使用される抵抗器を利用し、主制御器により主電動機の発生電圧に応じて抵抗値を変化させ、一定の発電電圧とすることで、安定したブレーキ力を得ている。連続勾配区間の降坂時や減速時の強力な制動力確保に適していることから、電気式ディーゼル機関車にも発電ブレーキがしばしば用いられている。
　だが、車載抵抗器の容量によっては制動能力が制限され、またエネルギーを熱として捨ててしまうことは省エネルギーの観点からも得策ではない。1980年代以降現在に至るまで、電車用としては従来の抵抗器式発電ブレーキに代わって、電力回生ブレーキが主流となっている。主制御器の働きで架線や第三軌条の電圧より高い電圧の電気を発生させ、それらを通じて他の力行中の車両や、変電所の抵抗器などに送電することで、車載抵抗器よりもはるかに大きな負荷を得て、より強力なブレーキ力を確保するものである。ブレーキエネルギーを他車の走行エネルギーとして再利用でき、省エネルギーの面からも有利である。電力回生ブレーキも発電ブレーキの一種であるが、鉄道技術の狭義の用語としては、抵抗器で電力消費を行う発電ブレーキとは区別されている。なお、連続勾配区間の降坂時にで使用される抑速ブレーキも抵抗器を使用する場合には発電ブレーキと同じ仕組みである。
　しかし、鉄道用の発電ブレーキは21世紀初頭現在でもまだ広く用いられている。理由としては次のようなケースがあげられる。

・回生ブレーキよりも発電ブレーキの方が回路構成が単純であり、かつては回生ブレーキは製造コストが高価であった。
・ 列車本数の少ないローカル線や路面電車など、他車の負荷が少ない場合では、架線電圧という外部要素に依存する回生ブレーキを使用することは必ずしも適切ではなく、自車単独で安定したブレーキ性能の得られる発電ブレーキの方が望ましい。
・急勾配路線では降坂時の安全が最優先され、安定したブレーキ性能が要求される。架線事故や集電装置の破損や離線や、列車密度が低い路線などでは、回生ブレーキは失効し、制御不能となる懸念もある。
・非電化鉄道に於いては、近年ハイブリッド機関車、ハイブリッド気動車の技術が確立するまでは、システム上回生制動自体が使用できなかった。

　しかし、実際にローカル私鉄で発電ブレーキ車が多く使われている理由は、単に大手私鉄で旧形となった車両の譲受車が主流であるばかりでなく、回生ブレーキで発生した電力を消費する列車・設備がないことにある。列車密度が低く運転本数もまばらであるため、高い加減速性能も必要とされない。また、東急7000系など、回生ブレーキ装備車の払い下げを受けた私鉄では、回生ブレーキで発生した電力が変電所に戻らないように回生ブレーキを使用不可とすることが多く、勾配路線用である叡山電鉄の900系電車のように、回生ブレーキに対応した制御装置と主電動機の提供を受けながら、発電ブレーキ専用に改造した例も存在する。
　近年では長野電鉄など、譲渡車の回生ブレーキをそのまま使用している鉄道もある。これは変電所に回生ブレーキが発生した電力を吸収する回生電力吸収装置を設置することによって、列車本数の少ない中小私鉄においても回生ブレーキの使用を可能にしたものである。発電ブレーキの抵抗器発熱による搭載機器の劣化を考慮すると、経営基盤の弱体な地方私鉄にとってはメリットにもなる。
　また急勾配路線でも、発電制動が継続すると抵抗器の発熱が処理しきれなくなり、過熱、焼損の原因となることから、あえて回生ブレーキとする場合もある（国鉄EF16形電気機関車など）。
　JR東日本E127系電車などのように、VVVFインバータ制御において列車密度が低く回生ブレーキで発生した電力を消費する列車が少ない場合には、発電ブレーキと回生ブレーキ双方を搭載して回生失効対策をとることがある。
　なお、交流電化においては比較的回路が簡単で、発生した電力を変電所から送電側に戻すことも容易であるのだが、電車では0系での低圧タップ制御やサイリスタ位相制御の一部に発電ブレーキを採用しており、そのための主制御器と抵抗器を搭載している。交流専用車両でのサイリスタ位相制御の電車では回生ブレーキが採用いられており、国鉄ED78形及びEF71形電気機関車ではサイリスタ位相制御方式を採用していたが、勾配区間での抑速ブレーキ用に回生ブレーキを採用しており、主回路には抵抗器を持っていない。
　なお、JR北海道の183系気動車の様に走行用の電動機を持たない「液体変速機式気動車」でのダイナミックブレーキとは、自動車におけるリターダブレーキと同じ仕組みである。

2 自動車
　自動車では、大型トラック・バス・トレーラーの補助ブレーキとして、電気式リターダ、エディカレントリターダ（Eddy-current retarder = 渦電流ブレーキ）といった名称で発電ブレーキが使用されている。これらは主に高速からの減速や下り坂での抑速の際に、メインブレーキ（摩擦ブレーキ）の負荷を軽減し、フェードやベーパーロックを予防するために用いられる。その場合、排気ブレーキも併用している。リターダを装備した大型トレーラーの車軸を覗くと、コイルと磁石が見える。大型トラックは駆動軸にビルトインされているものもあり、目視確認がむずかしい場合がある。いずれも車両後部に「リターダー装備」などのコーションラベルがあることが多いが、このラベルは表示義務ではない。
　一方、自家用車においてもエコカーブームによって電動機を動力源とする自動車が普及しつつあるが、燃費の改善に重点が置かれているため回収したエネルギーを熱として捨てるだけの発電ブレーキは採用されず、回生ブレーキを備えて搭載するバッテリーの充電に用いるモデルが多い。

・ 電動機に逆電流を流し、ブレーキをかけさせる装置も研究されているが、現段階ではこれを発電ブレーキとは称していない。静止状態では無効なため、物理的ブレーキの補助的な存在。鉄道にも同様のものがあり、純電気ブレーキと称する。
・自家用車を小規模な改造で牽引車とする、車両総重量3,500 kg以下のライトトレーラー（主にキャンピングトレーラーやモーターボート輸送用トレーラー）では、主制動装置として慣性または接近式ブレーキを備えなければならない（車両総重量750 kg以下で条件を満たすものに限り、制動装置は不要）。このなかの慣性制御式電気ブレーキは、牽引車のブレーキコントローラーから指令が電送され、トレーラーのブレーキシュー（もしくはパッド）を電磁石で動かす方式。鉄道車両における電気指令式に相当するもの。これは従来の摩擦ブレーキを電動アクチュエータしただけであり、回転力を磁気で押さえ込むわけではないので、これは発電ブレーキとは異なる。

3 脚注
[1]^ 直流電動機と直流発電機は構造は同じであるため。出力側からの回転により、発電機にもなる。

4 関連項目
・マスター・コントローラー
・抵抗制御

最終更新 2019年1月10日 (木) 18:17 （日時は個人設定で未設定ならばUTC）。


国鉄781系電車
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

国鉄781系電車（こくてつ781けいでんしゃ）は、日本国有鉄道（国鉄）が北海道用として1978年に設計・製造、北海道旅客鉄道が継承し2007年まで運用された交流専用特急形電車である。

　基本情報
運用者 日本国有鉄道
北海道旅客鉄道
製造所 川崎重工業、日立製作所
製造年 1978年 - 1980年
製造数 48両
運用開始 1979年3月19日
運用終了 2007年
主要諸元
編成 6両→4両編成
軌間 1,067 mm
電気方式 交流20,000V、50Hz
最高運転速度 120 km/h
主電動機 MT54E
主電動機出力 150 kW
歯車比 4.21:1
制御方式 サイリスタ位相制御
制動装置 発電ブレーキ併用電磁直通空気ブレーキ（応荷重装置付）

1 開発の背景
　函館本線の小樽駅 - 札幌駅 - 旭川駅間は都市間輸送の盛んな区間の一つであり、1968年の小樽駅 - 滝川駅間電化開業時から711系電車で運転を開始した「かむい」や、1971年から札幌駅 - 旭川駅間をノンストップで連絡した「さちかぜ」などの電車急行が好評であった。
　国鉄ではこれら電車急行の特急列車化を考慮した車両を模索する動きがあった。計画は程なく具体化し、台車・電気機器などはすでに実績のある711系の仕様を基に、内装・外観は当時の標準特急形電車であった485系と同等の仕様として、北海道向け特急形電車の計画・設計が開始された。
　1972年、公害防止のためポリ塩化ビフェニル (PCB) の製造が禁止となる。当時の交直流・交流車両の主変圧器の絶縁油としてPCBは一般的に用いられており、代替品の確保が課題となった。711系の主変圧器も例外ではなく、新形式車両の計画は頓挫する。暫定策として、当時PCB対策が完了していた485系[注 1]の各部を酷寒地向けに仕様変更した485系1500番台を1974年に製造し、1975年7月にエル特急「いしかり」として運用を開始した。
　485系1500番台は冬場において北海道特有の零下10度を下回る低温や、乾燥した細かい雪質に起因する故障が電気、機械関係ともに頻発し、エル特急の運行そのものが危機的状況に追い込まれるに至り、恒久的な耐寒対策を備えた特急形車両の開発は喫緊の課題となった。その後、PCB不使用に関する技術的問題も解決され、北海道総局の要望をできる限り盛り込み、気候に適応した車両として製造されたのが本系列である。

2.2 電装機器・制御系
　電装機器の配置は、国鉄新性能電車の標準構成である電動車の2両ユニット方式を採らず、「電動車・電源搭載付随車ユニット」（MTAユニット）を組む。本系列では、パンタグラフ・主変圧器・主整流器・主平滑リアクトルなど、電源供給に関する機器を制御車・付随車側に搭載し、制御電動車・電動車側には主制御器などを設けている。これは特急列車用として車体設備や機器設計を再検討した結果、711系に比して重量増となったこと[注 8]、および 床下に機器を極力配置しないとする耐雪設計のためで、「Alternating Current」（交流）の頭文字である「A」を含んだ「TAc'」と「TA」の記号（「'」は偶数形式を表す）が、国鉄で初めて用いられている。このことから、新造特急形車両としては初めての制御電動車である、クモハ781形が設定されている。
　主変圧器（TM13D形）主整流器（RS39B形）は非PCB仕様として新たに設計され、主電動機は711系と同様の他力通風方式で、417系電車で採用された絶縁強化仕様の直流直巻電動機MT54E形を用いる。
　制御方式は711系を基本とするサイリスタ位相制御である。同制御方式では力行制御用の抵抗器は不要で、711系では発電ブレーキを省略していた[注 9]。本系列では屋根上にブレーキ専用の抵抗器を搭載[注 10]して高速域から強力に作用する発電ブレーキを装備し[注 11]、711系で問題のあった制輪子・車輪の摩耗低減を図った。
　歯車比は急行形電車と同一の 1:4.21 で、711系と同様に弱界磁制御は行わない。これは 120 kW / 375 V 定格で設計された MT54形電動機を最大500 V で使用し、弱め界磁制御を行わない新たな定格を定めたことで、ほぼ電圧比例の 150 kW を定格とする MT54A形（711系）/ MT54E形（781系ほか）の実用回転域の高速側が拡大したためのものである。ちなみに本系列の場合、定格速度は84 km/h に達する[注 12]。
　直流であれば供給電圧 1,500 V（1電動機当たり 375 V = 1ユニットあたり8電動機 / 1,500 V）が上限となって、それ以上の加速には弱め界磁制御が求められるが、界磁磁束に比例するトルクが速度反比例で低下する定出力領域（≒ 120 kW）となる。一方交流 20,000 V では、さらに高い電圧を与えることができ、電圧比例でより大きな出力（≒ 150 kW：500 V 動作）が得られる。この場合弱界磁制御は、高電圧による整流悪化などで界磁制御範囲が狭まることから、採用する必要性が薄い。タップ制御の新幹線0系も同じく弱界磁制御を行わない。
　なお、北海道の深刻な雪害の対策は、冷却気循環系に負圧部を作らないことで実現している。485系1500番台ではそれが不徹底で、北海道の乾燥した粉雪に対応しきれず、隙間から舞い込んだ雪が機器の熱や装備されたヒーターで解ける浸水絶縁不良で運行できなくなったが、本州転属（復帰）後は支障なく運行している。

8 脚注
8.1 注釈
[注 1]^ 改良された増備車から、粘度が高く、発泡による体積変化も大きいシリコン油に対応するTM20形主変圧器を搭載していた。
[注 8]^ 車両重量の平準化も兼ねる。すでに、モハ711形で空車重量が約44 t に達していた。
[注 9]^ 抵抗制御を行う車両では、通常は力行制御用の抵抗器を発電ブレーキ用に共用する。
[注 10]^ 欧州の降雪地区で使用される電気車の仕様を参考とした。床下搭載に比べ、熱害、汚損、冷却の点で有利な搭載方法である。
[注 11]^ 本系列の開発時、既にED78形電気機関車などで下り勾配の抑速用として交流回生ブレーキが実用化されていたが、条件の厳しい制動用として使用するには誘導障害等の問題が未解決であったため、都市部での運用に配慮し発電ブレーキの採用となった。電車への交流回生ブレーキ搭載は713系電車で実現する。
[注 12]^ 481・483・485系の歯車比は1:3.50で、定格速度は全界磁で72.0 km/h、40 %界磁で116.0 km/h。

8.3 発表資料
・交通新聞社・・ 「スーパーカムイ デビュー」『交通新聞』第39巻、交通新聞社、2007年10月2日、 1頁。
・電気車研究会・・「特集：711・781系交流電車」『鉄道ピクトリアル』第39巻第3号（通巻508号）、鉄道図書刊行会、1989年3月1日。
・交友社・・手塚一之「特集：JR車両ファイル2008 車両のうごき2007-2008」『鉄道ファン』第48巻第7号（通巻567号）、交友社、2008年7月1日、 66-83頁。

最終更新 2019年4月30日 (火) 11:35 （日時は個人設定で未設定ならばUTC）。


≪くだめぎ？≫
　「発電ブレーキ」と思いつくのは、屋根上にブレーキ専用の抵抗器を搭載した781系電車だ。床下に熱源を置きたくない気分である。