電気車の速度制御

電気車の速度制御（でんきしゃのそくどせいぎょ）は、電気機関車や電車など電気を動力とする鉄道車両（電気車）を対象とした速度の制御方法である。本項では電気車に用いられる電動機の特性、および起動時や加速時の出力制御について、定トルク制御域、定出力制御域、特性領域と呼ばれる速度領域に分けて解説する。

概要 基本用語 電気車 - 電車や電気機関車など電気を動力として走行する車両。 力行（りっこう） - 車両が駆動力を発して走行する状態。 惰行（だこう） - 車両が惰性で走行する状態。 主電動機 - いわゆる電気モーター。電力を回転運動に変換する原動機。電動空気圧縮機、電動発電機、電動送風機などの補機用電動機との区別のため、特に動力車の走行用電動機を「主電動機」と呼ぶ。 トルク - 回転力とも。回転運動における力に相当。 回転数 - 回転速度。単位時間あたりの回転回数。乗り物など多くの機械類では、1分あたりの回転速度を表す単位として「rpm」が用いられている。 出力 - パワー・馬力とも呼ばれる仕事率。力×速度、あるいはトルク×回転数で表せる。 1879年、シーメンス（ドイツ）が電車の試験運行を実施して以来、電気を動力とした鉄道（電気鉄道）は発展を続け、現代では鉄道の主たる方式となっている。

国内外問わず一般的な電気車の構成は下図のとおりである。パンタグラフ等の集電装置によって外部より電力を取り入れ、運転席からの指令によって主制御器が走行に適した電力に変換し、台車、台枠、車体のいずれかに装架した主電動機に電力が送られ、トルクすなわち回転力を発する。 left|thumb|350 px|電気車のうち、一般的な電車の構成を表現した図。

thumb|300 px|牽引力（駆動力）と速度の関係を表現した図。 電動機から車輪に伝達されたトルクは牽引力となり、走行にともなって発生する列車抵抗を差し引くと、電気車の加速力が得られる（右図）。

電気車において特徴的な部分は、レシプロエンジンやガスタービンエンジンを機械的に駆動力として利用する鉄道車両や自動車のように、複雑な変速装置と言った機構を必要としないことである内燃機関を発電のみに利用する電気式動力車は、走り装置が電気車と同じであり、変速機やクラッチは必要ない。。すなわちギア比は固定であり、かつトルクコンバータやクラッチなどの機構を有することなく、起動から高速走行まで対応している。この実現のため、始動トルクが大きい電動機を採用したうえで、速度に応じて電動機を制御する。起動時から低速域では一定の大きなトルクを発し、中速域に達すると出力を最大に保ったまま加速する制御が用いられている。

以下、電気車の主電動機に用いられる電動機の特性について述べ、その代表例として直巻整流子電動機、かご形三相誘導電動機について解説する。さらに、主電動機の特性や電化方式、技術の変遷によって分類されるさまざまな制御方式を、従来の抵抗制御・弱め界磁制御から最新のインバータ制御に至るまでその機構について説明する。

電気車と電動機 電気車に求められる電動機特性 鉄道車両は停止状態から高速域まで幅広い速度で走行し、勾配や牽引重量の変化により負荷が変動することから、電気車の動力源として電動機には次のような特性が求められる。 起動時のトルクが大きいこと。 速度の向上とともにトルクが減少していくこと。 幅広い速度域で性能を発揮でき、速度の制御が容易であること。 産業用の電動機、たとえば送風機やポンプは起動時の負荷が小さく、速度とともに負荷が上昇するものが多い。しかし、鉄道車両は始動時に牽引重量や出発抵抗といった大きな負荷が作用するため、起動時に大きなトルクが必要である。

また、一般の鉄道は、レールと車輪に生じる摩擦によって駆動力（トルク）を伝達する。これを粘着と呼ぶが、鉄同士の小さな摩擦であることから、登坂区間や雨天時などにおいて空転を引き起こす。ここで、電動機が速度の向上とともにトルクが減少する特性を持っていれば、空転を起した車輪は回転速度が急激に上がることでトルクを失い、再粘着して空転が収束しやすい。

このほか、負荷や電圧の変動に耐えられることや、複数の電動機を用いても負荷の不均衡が生じにくいことなどが必要とされる。

直流整流子電動機 直流と交流 直流 - 流れる方向が変化しない電流。電池のようにプラス・マイナスの電源電極が定まっている。 交流 - 時間とともに流れる方向が変化する電流。家庭用のコンセントから得られる単相交流や、3系統からなる三相交流などがある。 thumb|150px|整流子電動機の動作。外側に配置される界磁と、内側で回転する電機子による構成。手前は整流子とブラシ。 電動機は回転する軸を持つ回転子と、回転子との相互作用によりトルクを発生させる固定子から構成される。電気車には、回転子に電機子、固定子に界磁と呼ばれる電磁石をそれぞれ配置した直流整流子電動機（電磁石界磁形整流子電動機）が古くから用いられてきた。この電動機は、電機子の回転に応じて極性を変えるための整流子やブラシを必要とするが、始動トルクが大きい、速度制御が容易などの利点を持つ。

さらに直流整流子電動機は、界磁と電機子を並列に接続する分巻、直列に接続する直巻、これら双方を合わせ持つ複巻に分類され、下表のように特性が異なる。このほか界磁を別電源とする他励方式もあり、その特性は分巻に類似する。

+ 直流整流子電動機の種類と特性300px図中 - M-電機子 ・ f-界磁種別分巻電動機直巻電動機複巻電動機界磁電機子と並列（図-A）電機子と直列（図-B）並列および直列（図-C）特性トルクは負荷電流に比例定速度特性始動トルク大トルクは電流の2乗に比例負荷に応じ速度変化分巻と直巻の中間特性 上記の中では、始動トルクが大きく速度変化の容易な直巻電動機が電気車の電動機として適しており、黎明期から搭載し活用された。また、界磁の制御がしやすい複巻電動機も、定速度制御や回生ブレーキを目的に採用された製品が存在する。

thumb|160px|直巻整流子電動機における回転速度（横軸）と発生トルク（縦軸）の関係を描いた相対関係図。 ここで、直巻電動機の特性について整理しておく。整流子電動機においてトルク（）は、界磁による磁束（）と電機子電流（）の積に比例する。

また、磁束は界磁電流（）に比例し、直巻電動機では界磁電流と電機子電流が一致することから、磁束は電機子電流に比例する。したがって、直巻電動機のトルクは電機子電流の2乗に比例する。

（ここには任意の定数）

一方、電動機は発電機と基本構造が同じであり、界磁の中で電機子が回転すると起電力が発生する。これは電動機に与える電圧と逆向きに作用するため、逆起電力と呼ばれる。逆起電力は回転数と磁束の積に比例して増加することから、回転数が上がると電機子電流が流れにくくなりトルクが低下する。

これらの結果をまとめると、直巻電動機の特性は、 電流は回転数に反比例する。 トルクは回転数の2乗に反比例する。 となり、右図に示す性能曲線が得られ、電気車が求める特性に合致したものとなる。

三相交流電動機 単相交流と三相交流 単相交流 - 1系統の電線を流れる交流。家庭用電源や鉄道の交流電化に用いられる。 三相交流 - 波形の位相を120度ずらした3系統で構成される交流。 110px|単相交流110px|三相交流単相交流三相交流 thumb|180px|かご形三相誘導電動機。固定子に三相交流を流すと、誘導電流を生じた回転子が回転。 前項では直流電源による電動機について述べたが、さらに交流電源を使用する電動機について解説を加える。

整流子電動機も交流電源で使用が可能であるが、交流電源には誘導電動機や同期電動機が一般に広く使われる。整流子電動機が整流子とブラシにより極性を変えて回転するのに対し、これらの電動機は電圧の向きが周期的に変化する交流電源に同期して回転するものである。

これらの電動機は回転速度が電源周波数に依存するため、細かな速度制御が難しく、鉄道車両のような使用速度域の広い電動機には不向きとされてきた。しかし、20世紀後半のパワーエレクトロニクスの発展によって、電圧や周波数を自在に制御できるインバータが開発されると、一気に電気車の電動機として採用が進んだ。

とりわけ電気車に採用が多いのは、かご形三相誘導電動機である。この電動機は三相交流を流す固定子と、かご形構造の回転子により構成される。固定子に電流を流すと、三相交流の波形に応じた回転磁界が発生し、かご形の回転子に誘導電流が流れて回転する仕組みである。整流子電動機とは異なり、回転子の誘導電流は回転磁界によって自然に生じるものであり、回転子へ電流を流すための整流子・ブラシを必要としないことから、小型・軽量化が図れるとともに高回転・高出力化も容易で保守性にも優れる。

かご形三相電動機のトルク（）は、電源電圧（）、電源周波数（）、回転磁界の回転速度（）、回転子の回転速度（）と、

の関係にある。ここに、はすべり、はすべり周波数と呼ばれるもので、すべりは磁界と回転子の回転速度の差であり、回転子に自励電流を生じさせ誘導電動機にトルクを与えるものである。上式から、誘導電気の特性は、 トルクは電圧の2乗に比例し、電源周波数の2乗に反比例する。 トルクはすべり周波数に比例する。 電圧と周波数を比例させれば≡電圧／周波数を一定に加速すれば定トルクが得られる。 となり、ここで電源電圧およびすべり周波数を一定とすれば、直巻電動機と同様に『トルクが回転数の2乗に反比例』の特性が得られる。

最近では、誘導電動機に代わって埋込構造永久磁石同期電動機 (IPMSM) の採用も増えている。回転子に永久磁石を埋め込んだ空げきのある常磁性体を用いた電動機で、誘導電動機に比べ何らかの損失が少なく、高い効率が得られることが特長である。また、稼働時の放熱が小さいことから密閉構造とすることができ、騒音軽減や電動機内部への粉塵浸入の抑制も容易である。このような特長から、電気自動車やハイブリッドカーではIPMSMの採用が目立っている。一方で、永久磁石の鎖交磁束によって固定子における鉄損や誘起電圧が発生するため、必要に応じて無負荷（惰行運転）時にも弱め磁束制御を手動で行うほか、インバータの故障時に短絡電流を遮断する機器が必要である。また同期電動機としての特性上、複数のモーターを一括制御することは不可能であり、個別制御が必須となり構造が複雑になる。

速度制御の基本 電気車における速度制御 本来、速度制御とは電動機に与える特性値を調整して、負荷とつり合う回転速度を得ることを指す用語である。しかし、鉄道車両はあらゆる負荷が大きく、目標とする速度に達するまで相応の時間を要することから、異なる手法が採られる。

一般に電気車では、各速度領域における可能な限りの出力を得て、目標となる速度までいち早く加速するよう制御する。目標速度に達すると、電動機の出力を切ってしまい（ノッチオフという）惰性で走行するか、もしくは出力を低減して速度を維持するといった手法が採られる。このように、電気車においては、出力の制御を行った結果として得られる速度を、慣例的に速度制御と呼んでいる。

+ 電動機と電気車における速度制御の違い電動機の速度制御電気車の速度制御電圧や界磁を制御↓負荷とつり合う速度で定回転電圧や界磁を制御し最大の加速力を得る↓目標の速度に達する↓加速を止め惰行運転または定速度制御 thumb|160px|図A - 速度制御の考え方低速域ではトルクを抑え、高速域ではトルクを向上させる thumb|160px|図B - 速度に応じて特性曲線（細線）を変え、太線に沿った制御を行う。 前述のとおり電気車の電動機は始動トルクが大きく、速度とともにトルクが低下する特性が求められる。しかしながら、このような特性の電動機は速度が低いほどトルクや電流が大きくなるため、低速度から所定の特性を発揮させると、粘着力以上のトルクを発生して空転を起こしたり、過剰な電流が流れて電動機を焼損するといった問題を生じる。また、速度が上がるにつれて急速にトルクが低下するため、高速化の障害となりかねない。

そこで多くの場合、低速域では電流およびトルクを抑制して一定値に保ち、高速域ではトルクがあまり低下しないよう制御を行う。図Aはこの制御の考え方をグラフに示したものであり、回転数が低いときはトルクを抑えてT1に保ち、回転数がV1を越えると低下するトルクの向上を図る。これを実現するため、速度に応じて電圧や界磁等を変化させ、異なる特性曲線（図Bの細線）を得てトルクの制御を行う。

具体的な特性設計基準となる考え方としては、レールと車輪の粘着力限界を前提に、降雨など一般的悪条件で空転や滑走を起こさない範囲で加速・減速トルクを設定することが実用上の最大加速度、最大限速度を得る基本になる。

一般的には定加速、定減速制御と思われている応荷重装置も、動作の実態は粘着力限界内制御装置であり、軽荷重ではそれに応じてトルクを減じて、空転・滑走を起こさない限界内で動作させる装置である。この考え方だと直巻電動機である必要はなく、分巻電動機や誘導電動機、同期電動機を鉄道車両に使うことができる。

粘着力は速度が上がるに連れて減少するが、制御系に速度情報を取り込まないシステムでは速度V1以下が定トルクであるが、速度情報を取り込んで低速では大トルクとして引張力を上げることが可能で、近年の新幹線車両などは粘着力速度特性を想定して速度に応じてトルクを変えている。

以下、図Bを参照しながら速度域ごとに制御方法を概説する。

定トルク制御 起動時から低速域の範囲においては、必要とする以上のトルクを電動機が発生するため、電流を抑制して一定のトルクに保つ。主として電動機への電圧を変えることで制御する。起動時は電圧をごく低くしておき、図Bにおける左端の細線の特性を得る。速度が上がるとトルクは低下するため、これに合わせ徐々に電圧を上げていくと、特性曲線は順に右へ移動していき、トルクをほぼ一定に保つことができる。このとき、電動機の電流は一定に制御され、出力は速度とともに増加する。この制御は電圧が最大となる回転数V1まで行う。

鉄道車両の走行抵抗は一般に小さく、低速領域では速度にかかわらず大きな変化はないことから、電動機の発生トルクが一定であれば、ほぼ一定の加速度が得られる。このことから、定トルク制御を行う速度領域を定加速度領域と呼ぶことがある。

定出力制御 電動機へ与える電圧（印加電圧）が最大となる（=回転数がV1に達する）と、そのままでは後述の特性領域として電動機の特性により速度反比例で電流が低下し、トルクが速度の2乗に反比例して急激に低下する。ここでさらに加速をしたい場合は、電圧制御以外の方法で電流やトルクの低下を抑制する制御方法が採られる。すなわち印加電圧はそのままに、最大電圧到達以降も一定電流で加速を続けると一定入力電力（=一定電圧×一定電流）となり、一定出力になる。これを定出力制御と呼ぶ。整流子電動機では界磁を弱める制御、誘導電動機ではすべり周波数を増やす制御を行って、その制御限界まで電流を一定に保つよう制御する。これにより、トルクは速度に反比例するようになり、速度の2乗に反比例する特性領域としてそのまま運転するよりもトルク低下を防いで加速力を確保できる。

定出力制御は必ず行われるものではなく、かつては弱界磁制御をしない車両が普通だったし、定トルク制御領域を広く取り、そのまま特性領域へ移行する方式もある。交流電化専用車両では変圧器次第で印加電圧の制御幅を広く採れるため、このようなケースがしばしば見られる。

特性領域 速度が上がり最大電圧に達すると（回転数V1）、あるいは定出力制御が限界に達すると（回転数V2）、これ以上の速度向上は電動機の特性に依存する。すなわち、速度に反比例して電流は低下し、トルクは速度の2乗に反比例して低下していく。

以下、表に各速度領域における速度上昇と印加電圧、電流、発生トルク、出力の関係について示す。 + 表 - 各速度領域における速度上昇と特性の関係速度領域定トルク制御域定出力制御域特性領域起動から低速域中速域高速域電圧▲増加速度に比例一定（最大値）一定（最大値）電流一定一定▼低下速度に反比例トルク一定▼低下速度に反比例▼急激に低下速度の2乗に反比例出力▲増加速度に比例一定▼低下速度に反比例

速度やトルクを制御する方法 電動機の印加電圧を変える方法 整流子電動機の速度制御を行うにあたってもっとも効果的な方法は、電動機に作用する電圧（印加電圧）を変えることである。速度やトルクの制御が容易で、広い速度範囲を制御できるため、定トルク領域で用いられる。

下図は速度変化と電圧の制御について概念を示したものである。

回転速度が低いときは逆起電力が小さく、高い電圧を電動機にかけると過大電流が流れることから、低い電圧で起動する（図中：第一段階）。 やがて回転速度が上がってくると、電機子の逆起電力が増加し、電機子電流が減少して発生トルクが下がってゆく（図中：第二段階）。 そこで印加電圧を上げ、電機子電流を確保する（図中：第三段階）。

この要領で速度の上昇とともに電圧を上げ、電機子電流とトルクを一定に保ちながら制御を行うのが、電圧による速度の制御である。

+ 図解 - 速度の変化と電圧の制御第一段階第二段階第三段階250 px250 px250 px起動時。逆起電力が小さいので、印加電圧を低くして起動する。回転速度が上がるにつれ、逆起電力が増加して電機子電流が減少する。そこで、印加電圧を上げて、電機子電流を確保する。

電圧を変動させる手法には、黎明期から採用されてきた簡便な手法から最新技術のパワーエレクトロニクスを用いた手法まで、さまざまな手法が用いられてきた。以下にその方法を概説する。

抵抗制御 電動機の始動時には始動抵抗を電動機と直列に配置し、過大電流を防ぐことがしばしば行われる。抵抗制御は始動抵抗を段階的に用意し、速度制御に応用したものである。簡便な方法であり、電気車の速度制御として古くから広く用いられている。一方で、抵抗による電流の損失や放熱が避けられないこと、抵抗値を変える際（進段時）に車体全体に衝撃が与える為滑らかな加速ができないことが欠点として挙げられる。 直並列組合せ制御 複数の電動機の配列を、直列・並列に切り替えることによって、各電動機の印加電圧を変える方法である。細かな制御はできないが、抵抗制御と組み合わせることで、抵抗損失を減らしたり、制御段数を増やして進段時の衝撃をある程度和らげる効果がある。 電圧制御 電源電圧を直接変化させる方法で、制御の応答が速く効率的であるが、直流電圧を制御するのは難しく、装置が大がかりで高価となりやすい。 この方法は交流電化から発展が見られた。ワードレオナード制御は交流電源に電動発電機を組み合わせたもので、発電機の界磁制御によって出力電圧を制御する方式である。電圧を自在に制御でき、直流への整流も同時に行えるが、電動機や発電機が別途必要なことから、重量が大きく設備費が高額となることが欠点で、電気車において主たる方式とはならなかった。また、交流は変圧器を用いて電圧を簡単に変えることができることから、変圧器の巻数を可変として出力電圧を制御し、整流器で直流を得る仕組みがタップ制御である。さらに、整流器に制御電極を組み合わせると、連続的に電圧を変化できる位相制御が可能である。当初、水銀整流器が用いられ、その後シリコン整流器に制御電極を設けたサイリスタの登場によって、無接点のサイリスタ連続位相制御へと発展した。位相制御は交流波形の一部分を取り出し、パルス状の電源を得て平均電圧を制御するものである。 一方、直流電化では、サイリスタを直流電源に適用したサイリスタチョッパ制御（電機子チョッパ制御）がある。直流電源に対し高速でスイッチオン・オフを行い、平均電圧を制御するもので、連続制御が可能となり、安定した回生制動も得られる。このような方式をパルス幅変調(PWM)と言う。その一方、交流とは異なりスイッチをオフにするための機構が別途必要で、装置も高価であった。 + 電圧制御の方式方式ワードレオナードタップ制御位相制御チョッパ制御動作交流→直流（可変電圧）・交流（可変電圧）直流→直流（可変電圧）概念図150 px|ワードレオナード方式150 px|タップ制御150 px|位相制御150 px|チョッパ制御特徴電動発電機を用いて、出力電圧を連続制御。変圧器の巻線比率を変えて、出力電圧を制御。スイッチング素子により、導通時間（電気を流す時間）を変え、平均電圧を連続制御。

界磁を制御する方法

整流子電動機に界磁調整器を取り付け、界磁の磁束を調整してトルクを制御する方法である。界磁の制御は、印加電圧を制御する方法に比べ効果は小さいが、電流の一部のみを扱うため装置が小型で費用も抑えられる。そこで、電圧による制御が限界に達した中速域から高速域において、加速特性の向上を目指した定出力制御に広く用いられる。

さて、直流整流子電動機の節で前述のとおり、整流子電動機においてトルク（）は界磁による磁束（）と電機子電流（）の積で表されることから、一見するとトルクは界磁に比例するように見える。

しかしながら実際には逆で、回転する電動機においてトルクは界磁の強さに反比例する特性を持つ。電機子が回転すると逆起電力を生じ、電機子電流が流れにくくなる。一方、逆起電力は回転数と界磁の強さに比例するため、界磁が強いと電機子電流は小さくなり、逆に界磁を弱めると多くの電流が流れるようになる。結果として、電機子電流が大きい後者の方が、トルクは大きくなる。このように、界磁を弱めることでトルクを増加させる方法を弱め界磁制御と呼ぶ。弱め界磁制御は中・高速域でのトルク特性の改善に用いられる。電圧の制御とは異なり、速度の上昇にともなうトルクの低下そのものは免れないものの、低下幅を抑制し、出力（=回転速度×トルク）を一定に保つことができる。

速度ともに上昇する逆起電力に着目し、電圧の制御と比較すると、 電圧の制御 - 逆起電力に合わせ印加電圧を制御する 界磁の制御 - 逆起電力そのものを制御する このように言い換えられる。

この特性を活かし、複巻電動機を用いて界磁を制御すると定速運転が可能となる。これは、速度が上昇すると逆起電力を上げて速度を下げ、速度が下がりすぎると逆起電力を低下させて速度を上げる機構である。

このほか界磁の制御方法として、複巻電動機を用いた界磁チョッパ制御・界磁位相制御や、直巻電動機を対象とした界磁添加励磁制御などがある。これらは、比較的高価なチョッパ制御や位相制御を、装置が小型で済む界磁制御に適用し、低い製造費用で回生制動を可能としたものである。加速時の制御においては、弱め界磁と原理に大きな差はない。

電圧と周波数を制御する方法 thumb|200px|インバータによる交流出力波形。低回転域では電圧と周波数を比例的に増加させ、高速域では周波数のみを増す。 回転子が電機子の回転磁界を追って回転する誘導電動機や同期電動機の速度を制御する場合は、その単体特性に従い印加電圧と周波数を比例的に変える必要がある（右図前半）。電動機の誘起起電圧にインピーダンス降下を加えた電圧を供給して任意速度での運転を行う。これは直流電動機の起動と同じであるが、交流だから周波数の一致と位相関係が問題になる。

初期の電気車では、機械的な回転変流器を車内に設置し、電圧・周波数を可変とした三相交流を作ることを試みたが、必ずしも成功とは言えず、広く普及するには至らなかった。

その後、パワーエレクトロニクスの進歩によりPWMを用いたインバータが開発されると、無接点によるVVVFインバータ制御（可変電圧可変周波数制御=V/f一定制御：V-f比例制御）が可能となり、旧来の整流子電動機を凌駕するようになった。

制御方式の変遷と各制御方式の詳説

本節では、実際に用いられる代表的な制御方法を変遷とともに示し、各速度領域における制御の実際について述べる。まず、下表におもな速度制御の手法について、一覧を示した。速度制御の名称は特徴的な部分を抜き出したものとなっているが、実際は速度領域によって複数の制御方法を併用しているものがある。たとえば、界磁制御に特徴のあるものは、定トルク領域では大半が抵抗制御を採用している。 + 表 - おもな制御方式と各領域での実制御制御方式電化方式電動機速度制御の方法回生ブレーキ摘要定トルク制御域定出力制御域抵抗制御直流・（交流）電化方式の『（交流）』は、交流でも可能であるが、いったん直流に整流してから制御するものを示す。直巻抵抗制御（+組合せ制御）分流回路による弱め界磁一般に不可電力回生ブレーキにはVμを1700〜1800ボルト程度に維持することが必要だが、単純な抵抗制御の場合確保できず、原理上可能ではあるが実用的ではない。チョッパ制御（電機子チョッパ）チョッパ装置による電圧制御可他励界磁制御界磁チョッパ制御複巻阪和電気鉄道の車両の一部や、小田急2600形など、後述の界磁添加励磁制御同様、直巻主電動機の界磁巻線に同一線路別回路を形成して行う車両もあった。抵抗制御（+組合せ制御）分巻界磁の制御による弱め界磁可界磁添加励磁制御直巻位相制御電流の添加による弱め界磁（※）可※界磁の位相制御に別途三相交流電源が必要。タップ制御交流直巻変圧器のタップ切換による電圧制御分流回路による弱め界磁（※）不可※定トルク制御のみとする場合もあり。無電弧タップ切換タップ切換と位相制御併用による電圧制御可（要サイリスタインバータ）サイリスタ位相制御位相制御による電圧制御VVVFインバータ制御直流・（交流）IMPMSM可変電圧可変周波数制御すべり周波数制御可

古典的な直流電気車の制御

電気鉄道の始まりはドイツの電気技術者ヴェルナー・フォン・ジーメンスによるものであった。ジーメンスは1879年ベルリンで開かれた商業博覧会で電気機関車の展示と電車の試験運行を実施し、その2年後の1881年、ベルリン・リヒターフェルデ間において路面電車の営業運転を開始した。この電車は小型の二軸車であり、2本のレールから直流電源を得て走行する方式であった。一方アメリカでは、電気駆動の父と呼ばれるフランク・スプレイグが1888年にリッチモンド (バージニア州)で路面電車の運行を開始するとともに、架線集電や弱め界磁、総括制御といった直流電気車の基本システムを確立した。

この直流電化で直巻電動機を駆動する手法は、電圧の制御に損失が伴う課題を抱えているものの、変圧器や整流器が不要であり、構造が簡便かつ安い製造費用で構成できる利点を有していた。このことから、さまざまな改良を加えながらも、基本構造はインバータ制御が普及する20世紀末まで広く用いられた。

抵抗制御 thumb|250 px|抵抗制御の回路図。速度上昇とともに抵抗を減らし、電圧を上げていく。 thumb|250 px|抵抗制御における回転速度と電流の関係の例。1N（全抵抗状態）から5N（抵抗なし）まで赤線をたどって制御する。 古くから用いられてきた直流電気車の制御は、以下を基本とする。 電化方式直流電化（数百ボルトから数千ボルト）電動機直巻整流子電動機定トルク制御抵抗制御・直並列組合せ制御定出力制御弱め界磁制御 ここで基本となるのは抵抗制御である。直巻整流子電動機は電流が回転速度に反比例することから、停止状態で電源電圧をそのまま作用させると、過大電流が流れ電動機を焼損したり、過大なトルクを発して車輪が空転を起こしてしまう。そこで、右図に示すように抵抗器を電動機と直列に配置して起動する。これによって電流は低く抑えられ、電源電圧は抵抗値に応じて電動機と抵抗器に分配される。起動時では、電動機の抵抗値に相当する逆起電力はほぼゼロであるため、電源電圧の大半は抵抗器に作用する。

やがて回転速度が上がってくると、電動機には印加電圧と逆向きの逆起電力が増加し、これにともなって電流が減少し発生トルクも下がっていく。ここで抵抗器の一部を短絡すると、電動機の印加電圧が上昇するとともに、電流とトルクが回復する。この要領で、回転速度に応じて電流が変化する電動機の特性に合わせ、段階的に抵抗を減らし、電流とトルクをほぼ一定に保つのが抵抗制御である。