利用者:Ikaxer/test6

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片持ち架設工法

片持ち架設工法の概念図（PC橋の例）。

片持ち架設施工される橋の事例。

片持ち架設工法（かたもちかせつこうほう）は橋の架設工法の一つで、橋脚や橋台から橋桁を片持ち状に張り出して架橋を行う工法である。架設にあたって、支柱や支保工など桁下からの支えが不要であり、送り出し架設工法と並んで桁下に支障がある箇所での架橋に用いられる。別称として張出架設工法（はりだしかせつこうほう）、片持ちの英語表記からカンチレバー（Cantilever）架設工法などがある。

とりわけ中・大規模支間を有するプレストレスト・コンクリート橋（PC橋）の架設に多く取り入れられており、支間60mを超えるPC橋では標準的な架設工法となっている。PC橋における本工法の適用にあたっては、架設機材システムを開発した会社の名称を取りディビダーク工法の呼称がもっぱら用いられたこともある。また、橋桁を左右にバランスを取りながら架設していく様子をヤジロベエに見立てヤジロベエ工法とも称される。

このほか、本工法はアーチ橋や斜張橋の架設工法としても用いられる。

概要

橋の架設を行うには種々の工法があり、橋の規模や架橋地点の状況により選定される。ここでは、まず一般的な架設工法について述べ、片持ち架設が用いられる背景について説明する。

一般的な架設方法

仮支柱や支保工を用いた一般の架設工法。鋼橋（上）・コンクリート橋（下）

一般的な橋の架設方法は、一時的に橋梁下から支えを設けた上で橋桁を施工し、完成後に支えを取り払う方法によって行われる。

橋桁が鋼鉄で構成される鋼橋では、橋桁を運搬できる長さに分割して工場で製作し、架設現場に搬入する。架設現場では、分割された橋桁の長さに応じて仮支柱を設置し、仮支柱上に橋桁をクレーン車等で架設を行う。その後、橋桁をボルトやリベット、溶接などにより接合し、仮支柱を撤去して完成となる（右図・上段）。

一方、コンクリート橋では、まず架設現場に地上から支保工を立ち上げ、その上に型枠を設ける。型枠内に鉄筋やPC鋼材などの補強鋼材を組み上げ、コンクリートを打設する。コンクリートが硬化し、所定の強度が得られた時点で型枠・支保工を解体し完成に至る（右図・下段）。

これらの方法は架橋にあたって基本となるものであり、簡便かつ経済的な施工ができる。

片持ち架設工法

ところが、架橋地点の状況によっては、支えの設置が困難であったり、支えの設置に多額の工費を要する場合がある。たとえば、以下に示す条件では、支柱や支保工の設置が困難と判断される場合がある。

• 流れの速い河川
• 増水が懸念される河川
• 水深の深い海や湖沼
• 深い谷
• 交通量の多い道路

このような条件下では、下からの支えを必要としない架設工法が求められる。その一つが片持ち架設工法である。

水深のある海での片持ち架設		深い谷での片持ち架設		交通量の多い道路上での片持ち架設

移動作業車による片持ち架設

片持ち架設工法では、施工済みの構造物を足がかりに、専用の架設機材を用いて段階的に張り出して施工を進める。まず橋台や橋脚といった下部構造を築造し、移動作業車や架設クレーンなどの架設機材を設置する。このとき、架設機材が設置できるスペースを確保するため、下部構造上のごく一部の区間を支保工によって施工しておく。

歴史

猿橋

ニーベルンゲン橋（ドイツ・ヴォルムス）

• 最初の片持ち架設は木橋
  • 発想は古くから。
  • 木材を井桁状に組み片持ち梁を形成し、石材をカウンターウェイトとする。
• 19世紀
  • 鋼橋の発展により片持ち架設が導入される。
• コンクリート
  • RC橋
    • 1930年 - 支間68.5m Harval橋 ブラジルPiexe川 。フランスでは支間100m。
    • しかし、ひび割れ対策に大量の鉄筋必要。結果、広まらず。
  • PC橋の登場
    • 1951年 - ドイツで支間62m。
    • 1952年 - ドイツライン川のニーベルンゲン橋。支間114m。ディビダーク工法。架設作業車。PC鋼棒。以降急激に発展。

参考文献

• J・マチバー 『PC橋のカンチレバー架設工法』 森本峯夫 監訳、鹿島出版会、1987年。
• 『コンクリート道路橋設計便覧』 日本道路協会、1998年。
• 『コンクリート道路橋施工便覧』 日本道路協会、1998年。
• de:Freivorbau

電気車の速度制御

制御方式と各速度域における実制御

本節では、実際に用いられる代表的な制御方法を示し、各速度領域における制御の特徴について述べる。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）	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
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	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。
サイリスタ位相制御			位相制御による 電圧制御		可
インバータ制御	直流・（交流）	かご形誘導	可変電圧 可変周波数制御	すべり周波数制御	可

交流電気車の制御

世界初の交流電化。スイスのユングフラウ鉄道

交流電化を採用する日本の新幹線。

黎明期の電気鉄道は、市街電車や都市近郊路線など近距離運行の鉄道に用いられた。これらは直流電化によるものであったが、長距離路線の電化が計画されると交流方式が送電面で優位と考えられるようになり、19世紀末にはスイスで世界初の交流電化が行われている。その後国土の広いヨーロッパやアメリカを中心に採用されたほか、第二次世界大戦後は交流電気車技術の発展が進み、日本の新幹線などにも交流電化が採用されている。

交流は変圧器を用いて電圧を簡単に変えられる特性を持っており、幅広い速度制御に応用できる。この方式は、抵抗制御に代表される直流電化に比べ損失が少なく、空転を抑制する点においても有利である。

交流電気車と電動機

交流電気車は交流電化区間で走行する電気車を指すもので、必ずしも電動機として交流電動機を使用するわけではない。電化方式と電動機の組合せとして、次に示す方式がある。

三相交流を取り入れ、交流誘導電動機を駆動するもの。

初期の電化方式で用いられた方法。三相交流を用いることから電力設備・集電設備が複雑であり、誘導電動機の速度制御が難しかったことから、広く普及するには至らなかった。

単相交流を取り入れ、交流のまま整流子電動機を駆動するもの。

20世紀前半にアメリカやドイツで採用された方式。界磁に電磁石を用いた整流子電動機はユニバーサルモーターとも呼ばれ、直流だけでなく交流でも使用可能である。ただし、周波数の高い商用電力（50Hzや60Hz）では整流不良を起こすため、16 2/3Hz（50Hzの3分の1）など特殊な周波数で電化が行われた。

単相交流を直流に変換し、整流子電動機を駆動するもの。

1950年代にフランスを中心に実用化された方法。電気車に整流器を備え、取り入れた交流を直流に変換してから、直流整流子電動機を駆動する。電化には商用電力をそのまま使用でき、広く普及した。

単相交流をコンバータ・インバータにより三相交流に変換し、交流電動機（誘導電動機・同期電動機）を駆動するもの。

20世紀後半から用いられる現在の標準方式。可変電圧可変周波数制御（VVVFインバータ）により、三相交流電動機を制御する方法。インバータの動作は直流電源を必要とするため、いったんコンバータにより直流に変換を行う。

ここでは主として、単相交流を直流に変換し、整流子電動機を駆動する電気車について述べる。交流電化では1万ボルト以上の高い電圧が用いられていることから、電動機に適した数百ボルトまで電圧を下げ、さらに直流電動機を駆動するため交流を直流に整流する必要がある。

電化方式	交流電化 （1万数千ボルトから数万ボルト）
電動機	直巻整流子電動機
定トルク制御	タップ制御・位相制御
定出力制御	弱め界磁制御
特記事項	変圧器による降圧・直流への整流が必要

直流電気車へのサイリスタの適用

ファイル:Phase-and-chopper control.png

位相制御（左）とチョッパ制御（右）

サイリスタの登場は、直流電気車ではこれまで一般に不可能であった、連続電圧制御による粘着力特性の改善や低損失、無接点化、また安定した回生ブレーキの使用を可能とした。本節では、サイリスタに代表される半導体素子を直流電気車の速度制御に適用した事例について述べる。

直流電気車に対し主として用いられる制御方式がチョッパ制御である。これはサイリスタのスイッチング作用を直流電源に適用したもので、交流電気車における位相制御と同様に、連続的にかつ無接点で電圧制御を行うことが可能である。また、直流電気車においても、容量は小さいながら制御用の交流電源を有しており、これを位相制御することによって界磁を制御し、速度制御や回生ブレーキに応用する方式も用いられる。

電化方式	直流電化 （数百ボルトから数千ボルト）
制御方式	電機子チョッパ制御	界磁チョッパ制御	界磁位相制御	界磁添加励磁制御	高周波分巻チョッパ
電動機	直巻電動機	複巻電動機		直巻電動機	分巻電動機
定トルク制御	チョッパ制御	抵抗制御・直並列組合せ制御			チョッパ制御
定出力制御	弱め界磁制御	界磁チョッパ制御	界磁の位相制御		界磁チョッパ制御

チョッパ制御

チョッパ制御の概念。高速でスイッチのオンオフを行い、オン時間の長さで平均電圧を制御。

チョッパとは『切り刻む』ことを意味するchopに由来し、直流の電流を切り刻むことによって電圧制御を行う方法である。右図は降圧チョッパの概念を示したもので、一定の電圧で供給される直流電源に対し、高速でスイッチのオン・オフを行い、スイッチオンとオフの時間比率を変えることによって、任意の電圧に落とすことができる。すなわち、オンの時間を短く取れば平均電圧は低くなり、逆にオンの時間を長くすると高い平均電圧が得られる。このように一定の周期の中で、オンオフの時間を変えて電圧を制御する方法を、パルス幅変調(PWM)と言う。

ここでスイッチの役目を果たすのが、サイリスタをはじめとする半導体素子であり、無接点で高速なスイッチングを行う。チョッパ制御は、交流における位相制御と同様の作用を持ち、抵抗制御に比べ損失が少なく、無接点で電圧を連続的に制御できる利点を有している。

その一方で、サイリスタはスイッチオンの動作のみを持ち、電流がゼロになるまでスイッチオンを維持する特性がある。交流を用いた位相制御では周期的に電流がゼロになることから、自然にスイッチがオフとなるのに対し、直流を用いるチョッパ制御では強制的にスイッチオフとするための回路が別途必要となる。このため、大電流を扱うチョッパ装置は、回路構成が複雑で高価なものとなりがちであった。後に採用が増加したGTOサイリスタは、サイリスタにスイッチオフの動作を付与した半導体素子である。

• サイリスタの作用を直流電化に応用。
• PWM
• 平均電圧。高調波。

界磁制御への適用

界磁制御方式の特徴

利点

• 回生ブレーキ利用が可能。
• 定速制御が可能。
• 導入コストが比較的低い。
• 高調波や励磁音の発生が小さい。

欠点

• 抵抗制御が基本のため抵抗損失があり、粘着性能に劣る。
• 停止までの回生ブレーキが不可（打ち切り）。

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（電機子チョッパとの比較）

主回路にチョッパ制御を適用した電機子チョッパ制御は、直流電気車の性能に変革をもたらしたが、大電流を扱う制御装置が高価なことが問題であった。そこで、主回路よりも扱う電流の小さい界磁調整器に対し、サイリスタ等の半導体素子を適用する方式が開発された。すなわち、起動時における定トルク制御は旧来の抵抗制御を踏襲してコストを抑える一方、弱め界磁制御やブレーキ時において界磁を積極的に制御し、幅広い速度域での回生ブレーキの使用や定速制御を可能とするものである。 さて、回生ブレーキを扱う場合、電動機が発する電圧が低いと回生電力を架線に戻すことができず、高すぎる電圧は電力施設を損傷してしまう。このため、電動機の発する電圧を一定の幅に制御しなくてはならない。電動機から得られる電圧($E\,$)は、界磁磁束($\phi$)および回転数($n\,$)と以下の関係にある。

$E=k\cdot \phi \cdot n$

すなわち、回生電圧は界磁の強さ（界磁磁束）と速度（回転数）に比例するため、速度が落ちるにつれて回生電圧は低下してやがて失効する。電機子チョッパでは低下した電圧を昇圧チョッパによって高めることで、低い速度での回生ブレーキに対応していた。これに対し界磁を制御する方法では、回転数($n\,$)の変化に合わせて、界磁磁束($\phi$)を変えることで回生ブレーキを実現する。つまり、速度が高いときは界磁を弱め、速度が低くなると界磁を強めて、幅広い速度域で一定幅の電圧を得る。

界磁を自由に変化させるには、電機子と界磁が直列の直巻電動機よりも、電機子と界磁が独立した分巻電動機が適している。その一方で、起動から力行にいたる速度制御には直巻電動機が適しているため、直巻と分巻の特性を合わせ持つ複巻電動機を用いたり、力行時と回生時で界磁の特性を直巻・分巻に使い分ける制御などが行われる。

代表的な方式として、次の3方式が挙げられる。これらの方式は抵抗制御を基本とするため抵抗損失は避けられないが、安価に回生ブレーキを実現できるため、多くの電車に採用された。

界磁位相制御

界磁チョッパ制御

界磁位相制御

電動機として直巻界磁と分巻界磁の二つを持つ複巻電動機を使用し、分巻界磁は補助電源によって他励方式とするのが特徴である。このため他励界磁制御とも呼ばれる。補助電源は、制御機器の動作や空調機器などに使われるもので、直流電気車であっても一般に三相交流で供給される。この三相交流電源を励磁装置によって位相制御することにより、分巻界磁の連続制御を行う。

励磁装置には一般にサイリスタ等が用いられるが、これら半導体素子の登場以前にも磁気増幅器で位相制御し、本方式を採用した事例もある。

界磁チョッパ制御

界磁位相制御と同様に複巻電動機を用いるが、本方式は分巻界磁を直巻界磁と並列に配置する。分巻界磁を流れる直流電流をチョッパ制御することで、界磁の連続制御を行う方式である。他の方式と同様、抵抗制御で起動し、界磁の連続制御は弱め界磁制御や回生ブレーキ時に用いられる。

チョッパ制御登場以前に、可変抵抗により分巻界磁の調整を行う方式が存在し、本方式はこれを電力用半導体素子に置き換えたものと言える。

採用例が多い一方、複巻電動機は構造が複雑で、負荷や架線電圧の変動に弱く、保守に手間がかかるという難点を有する。

界磁添加励磁制御

他の方式と異なり、コスト・保守面で有利な直巻電動機を用いることが特徴である。直巻界磁に分流回路を設けるとともに、補助電源による励磁装置から直巻界磁に電流を添加して界磁の連続制御を行う。励磁装置は、一般に三相交流の補助電源を位相制御するが、直流の補助電源からDC-DCコンバータとして動作する形式もある。

力行時は抵抗制御により起動し、弱め界磁制御域に達すると誘導コイルに電流を分流させるとともに、励磁装置から分流回路とは逆向きの電流を添加する。この電流を徐々に弱めていくと直巻界磁の電流が減少し、連続的な弱め界磁制御を行うことができる。

一方、回生ブレーキ時においては、バイパスダイオードによって電機子電流はすべて誘導コイルに流れる。直巻界磁には励磁装置からの電流のみが流れ、直巻電動機でありながら分巻電動機のように制御でき、幅広い速度での回生ブレーキを可能にしている。

界磁添加励磁制御の概念図。 力行（全界磁）。抵抗制御で起動する。		力行（弱め界磁）。速度が上昇すると添加電流を連続制御して弱め界磁を行う。		回生ブレーキ。速度の変化に合わせて界磁を連続制御する。

電機子・界磁双方のチョッパ制御

自動可変界磁制御（AVFチョッパ)の力行時回路。

同回生ブレーキ時。

インバータ制御

パルス幅変調による可変周波数制御。周波数に合わせパルス数を変化させるため、独特の励磁音を生ずる。

参考文献

• 松本雅行 『電気鉄道』 森北出版、2007年、41-58頁。
• 前田隆文 『電気応用と情報技術』 東京電機大学出版局、1999年、37-50頁。
• 石井幸孝 『入門鉄道車両』 交友社、1970年、6-53頁。
• 伊原一夫 『鉄道車両メカニズム図鑑』 グランプリ出版、1987年、180-190頁。

関連項目

• 鉄道車両
• 電動機 - 整流子電動機 - 誘導電動機
• 抵抗制御 - チョッパ制御 - サイリスタ位相制御 - 可変電圧可変周波数制御

rertest

電車や電気機関車など電気を動力源とする電気鉄道は、19世紀末に登場以来、直巻整流子電動機（以下、直流電動機）が用いられてきた。直流電動機は始動特性に優れるほか、速度制御が容易であり、20世紀末にVVVFインバータ制御による交流電動機駆動が主流となるまで、約1世紀にわたり電気車の電動機として広く用いられた。