ホームを歩くと、目の前の列車の多くは、頭上に架線があるかどうかにかかわらず電動モーターで走っています。違うのは電気の供給源です。ディーゼル列車は燃料から車内で電気を作ります。電気列車は鉄道設備そのものから電気を受け取ります。この1つの選択が、加速性能、運行コスト、そしてどの路線に電線を張る価値があるかを左右します。
ディーゼル：車輪に動力を伝える3つの方法
ディーゼルエンジンは、ほぼ一定の回転数で最も効率よく動きますが、列車は大きな荷重を載せて静止状態から発進しなければなりません。そのギャップを埋めるために、エンジンと車輪の間に何かが必要です。
- ディーゼル電気式。 エンジンは発電機を駆動し、そこで作られた電気が 駆動モーター を回し、車軸を回します。エンジンから車輪への機械的な連結はないため、エンジンは最も効率のよい回転数で動けると同時に、モーターは静止状態からでも強い牽引力を発揮できます。これは幹線用機関車や多くの編成車両で一般的な方式です。
- ディーゼル液体式。 流体継手またはトルクコンバーターで動力を伝えます。自動車のオートマチックトランスミッションと似ています。軽量の機関車や気動車に使われてきました。特にドイツで多く使われています。
- ディーゼル機械式。 トラックと同じく、クラッチとギアボックスを使います。単純で、小型の気動車や入換機に適していますが、出力が上がると扱いにくくなります。
エンジン自体は燃料のエネルギーの約35〜45%を軸出力に変換し、発電機とモーターでさらに一部が失われます。そのため、ディーゼル電気列車は車輪のついた小型発電所のようなものです。その先祖である蒸気機関車は、ボイラーとシリンダーで同じ仕事をしていました。その仕組みは次の投稿で説明しています： 蒸気機関車の仕組み.
電気式：外部からの電力
電気列車は、架線から パンタグラフを通して、または線路脇の集電レールから集電靴を通して電流を受け取ります。列車上の変圧器と変換装置が、モーター用に電流を調整します。電動モーターとその機器は、供給源から車輪までの効率が一般に約85%を大きく超えますが、全体の数値は電気がどのように発電されたかにも左右されます。
方式は国によって異なり、それぞれの路線が電化された時期の名残であることがよくあります：
- 25 kV, 50 Hz AC 架空線：英国、ヨーロッパの大部分、そして新しい高速線の多く。
- 15 kV, 16.7 Hz AC 架空線：ドイツ、スイス、オーストリア、スウェーデン、ノルウェー。
- 3 kV DC 架空線：例えばイタリア、ベルギー、ポーランド。
- 1.5 kV DC 架空線：例えばオランダとフランスの一部。
- 750 V DC 第三軌条： イングランド南部の大部分。
電圧が重要な理由
電力は電圧×電流なので、同じ電力であれば、電圧が高いほど必要な電流は少なくて済みます。5 MW の列車は、25 kV では約200 A ですが、750 V では約6,700 A が必要です。高電圧であれば、細い電線と少ない給電点で済みます。そのため、25 kV の架空線は長距離の高速路線に適しており、750 V の第三軌条は、変電所が近くに密集する短距離の高密度ネットワークに適しています。軌条は地面近くにあるため、そこに高電圧をかけると危険です。
電気列車の加速がよい理由
ディーゼル列車は動力源を自ら積んでいるため、エンジンの大きさと重さが出力の上限になります。一般的な幹線用ディーゼル機関車は、約2〜3 MW を出力します。電気機関車は発電所を持たず、架線から 5 MW 以上、場合によってはそれよりはるかに多くの電力を引き込めます。同じ質量でより大きな出力を得られるため、加速が速くなり、最高速度も高くなります。これは停車駅の多い列車や高速線に適しています。
車輪は依然としてグリップする必要があります。理由は、 鋼鉄同士の粘着力には限界があり、余分な出力が役立つのは車輪が空転する点までです。
回生ブレーキ
電気モーターは発電機として逆回転させることができます。運転士がブレーキをかけると、駆動モーターは列車の運動を電気に変換し、それを架線に戻します。そこでほかの列車が使うこともあれば、受け入れ先がなければ屋根上の抵抗器に送られます。停車の多い路線ほど節約効果が大きくなります。ディーゼル電気列車も同じモーターの仕組みを使えますが、電力を有効に送る先がないため、通常は抵抗器で熱として消費されます。
電線設備のコストと運行量
架柱、電線、変電所、橋やトンネルの建築限界の確保には、1キロメートルあたり多額の費用がかかり、その費用は、路線を10本の列車が使おうと100本使おうと同じです。電気列車は運行と保守の費用が安いため、運行量が多い路線では電線の費用を回収できます。閑散とした支線では、回収できないこともあります。多くの鉄道会社は、本数の少ない路線はディーゼルのままにし、幹線を電化しています。
でした。一方、 バイモード 車両が、この差を埋めます。ディーゼルエンジンとパンタグラフを積み、架線の下では電気で走り、架線が終わるところでディーゼルに切り替えます。英国の Class 800 シリーズがその例です。妥協点は重量が増えることです。使うのは一部の時間だけなのに、エンジンを積んでいるためです。
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現代のほぼすべての列車は電気で駆動されています。問題は、電気を列車上で作るか、電線または軌条から集めるかです。
ここから得られること
- ディーゼル電気式：エンジン、発電機、駆動モーター。ディーゼル液体式とディーゼル機械式は、代わりに流体や歯車を使います。
- 供給方式は、750 V DC の第三軌条から 25 kV 50 Hz AC の架線までさまざまです。同じ電力であれば、25 kV では 750 V の約30分の1の電流で済みます。
- 電気列車は外部から電力を受け取るため、より多くの電力を使え、ブレーキ時にはエネルギーを戻すこともできます。
- 電線設備は1キロメートルあたりの固定費なので、運行量の多い路線に適しており、残りの区間はバイモード車両がつなぎます。
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