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新幹線「のぞみ」用の交流電動機駆動変換装置の開発

東海道新幹線300系試作電車J0編成

図1 東海道新幹線300系試作電車J0編成

誘導電動機を制御する電力変換装置

図2 誘導電動機を制御する電力変換装置

誘導電動機

図3 誘導電動機

 時速200 kmを超える高速鉄道を世界に先がけて実現したのは、1964年に開通した東海道新幹線でした。当初はダイオードで交流を直流に変換して直流電動機(直流モータ)を回していました。駆動トルク(回転軸をねじる能力の大きさ)や回転数を幅広く変えるには直流電動機の方が都合がよかったのです。しかし1980年代半ばからは、GTOサイリスタという部品を利用したインバータ(直流を交流に変換する装置)の技術が進歩したおかげで、交流の誘導電動機が使えるようになりました。

 しかし交流を電源とする新幹線の場合、サイリスタの働きで沿線の信号機や通信系統に障害が起こるなどの問題がありました。それに直流電源車両に広く行き渡っていた電力回生ブレーキが使えません。もっと高速化を進めたい新幹線にとって、出力の増大と車体や機器の軽量化が大きな課題となっていたのです。

 この課題を見事に解決したのは、GTOサイリスタを利用した世界初のPWM(パルス幅変調)制御電力変換装置でした。モータの電源を高速でON・OFFさせてパルス(ごく短時間きざみの電流の繰り返し)の幅を変え、ONにする時間の比率や頻度によって電動機の速度を制御するのです。これで交流電動機に供給する電力の周波数や電圧が自由に変えられるようになり、必要な分しか電源をONにしないので電力節減にも役立ちます。それに電力回生ブレーキも使えるようになったのです。

 PWM制御電力変換装置で動く誘導電動機(図3)を搭載した車両は、3両を1単位とした300系新幹線電車で実現しました。両端の車両(電動車)に電力変換器と誘導電動機4台がセットで、中間の車両(付随車)には変圧器などが設置されています。1編成は5単位からなり、別に1両の付随車を連結して16両となっています(図1)。

 この300系新幹線電車の試作車は1990年3月から走行試験に入り、ついに2年後の1992年3月の東海道新幹線東京—新大阪間の「のぞみ」開業で結実したのです。最高時速を220 kmから270 kmに向上させ、それまでの所要時間約3時間を2時間半に短縮できました。こうした一連の技術開発を率先して進めた石川栄さん、四方進さん、高原英明さん(JR東海、三菱電機、東芝)の3人に1992年、電気学会は「電気学術振興賞進歩賞」を贈りました。



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キーワード

新幹線、電力変換装置、PWM制御、誘導電動機、電気鉄道、パワーエレクトロニクス
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