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文系人間のための電子工学 その1 [電気の話]

今日から始まる新シリーズ、「文系人間のための電子工学」のお話の始まりです。

鉄道模型をやる上で、これだけは理解して欲しい理系の電子工学のお勉強を、文系人間親爺ぃが、電気の嫌いな文系人間に「例え=エロ話」を駆使してやさしく、ゆる~く解説していくシリーズです。

DC(パワーパック)運転から、DCC運転までを予定しております。

電気の話が苦手な文系人間向けに、公式を極力さけて解説しますので、安心して最後までお付き合いください。

なぜこんな記事を書きたくなったかというと、親爺ぃの最近のブログ記事の中で飛び抜けて閲覧数が多い記事があります。

1.PECO製ポイントの最新情報

2.DCC最新(?)トレンド事情

3.文系人間のための電子工学 その1 (アップ後、今改訂中なんです)

このことから、親爺ぃのブログを見にきてくれる方々は、現在は道床付きレールで遊んでいるが、内心はPECO製のレールを使った実感的なレイアウトを、DCCでやってみたなと思っている方々なのではないかと思いました。

ポン付の道床付きレールでは電気知識は無くても遊べますが、PECO製を使うとなるとそれなり電気知識は必要になります。

注)電気知識が全くない方でも実際にDCCをやられてる方がいますが、ちゃんと知識を吸収してやっています。

しかし、文系人間にとって電気は天敵以外何物でもありません。

そこでなんとか電気の話を別な話に置き換えて出来ないかと考えました。

適当男の親爺ぃのことですから、間違いや勘違いがあるかと思いますが、見えない電気のイメージを感じ取っていただければ幸いです。

*このシリーズを書くにあたって「Nardi Mindscape -ほぼ趣味の記録-」のnardiさんには、無理やり検証実験に協力していただいたことを感謝いたします。(結構、喜んでやってたみたい)

Z21_Startseitenslider_Keyvisual_allgemein_slide.jpg

「は~い、nardiよ。親爺ぃったら無理やり私を・・・・・」(*^^*)ポッ

始まりです。

日本でのDCCというと、「KATO」さんが代理店のような形で控えめにやっておられます。

「KATO」さんのHPのDCCのQ&Aコーナーの中にこんな記載があります。

************************
Q.DCCって、DC(直流)コントロールなのですか?

A.DCCは、AC(交流)です。
************************

この記載を読んであなたはどう感じましたか?

1.「そうなのね。」と素直に思われた方は、「バリバリの文系人間」です。

2.「あれ?DCじゃないの?」と思われた方は、「普通の文系人間」です。

3.「えっ??ACで鉄道模型車両が動くのか????」と思われた方は、「文理系人間」です。

4.「あたりまえだろ!それだから2列車同時運転ができるのさ。」と思われた方は、りっぱな「理系人間」ですので、これから先は読まないで退場されてください。

DCC(交流(AC)運転)を理解してもらうには、DC(直流)運転をしっかり理解している前提があります。(通常のパワーパックを使った運転です)

電気とか電子回路の入門書をご覧になった方はご存知でしょうが、決まって「DC(直流」の話が出た後に「交流(AC)」の話が出てきます。

直流と交流は無関係ではありません、少しは交流があるのです。(洒落です)

DC(直流)運転をあいまいに理解していると、このシリーズは最後まで理解出来ませんのでしっかり読んでくださいね。

Nゲージの動力車には、「DC(直流)モーター」が使われています。
(親爺ぃが知らないだけで、例外があるかもしれません)

マブチモーター.jpg

子供のころよく遊んだマブチモーターもDCモーターですね。

赤に電池のプラス、青に電池のマイナスを繋ぐと回転します。

青に電池のプラス、赤に電池のマイナスを繋ぐと逆回転します。

水中モーター.jpg

そう言えば、こんな水中モーターもありましたね。

吸盤をお腹に貼り付けて、泳いで利根川を横断出来るのではないかと、子供のころ真剣に考えたことがあります。(笑)

話が脱線しましたが、DCモーターの利点としてスピード調整を電圧で調整することが楽な点です。

電圧を上げるほどモーターの回転数が上がり車両のスピードもアップします。

ACモーターでは電圧を上げても変わりません。

周波数というものを変えないとACモーターの回転数は変わらないのです。

モーター図2.jpg

DC方式では、車両の進行方向に向かって右側のレールにプラス、左側のレールにマイナス(GND)の電圧可変直流電源(パワーパック)を繋げ、車輪を通して内部のモーターへ給電されます。(国際的に決まっているそうです)

後進する時は、パワーパックの方向切り替えスイッチを後進にすると、パワーパック内部で極性反転されて、右のレールにマイナス(GND)左のレールにプラスになるように切り替えられます。

モーター車はだたレールに乗ってるだけです。

目には見えませんが、レールの極性を変えることで進行方向が変わるということを覚えていてください。

では、AC(交流)をレールに流すと極性はどうなるのでしょうか?

fg2_2_2.jpg

交流の話になるとよく出てくるグラフです。

(A)直流のグラフは直流電圧の様子をグラフ化したものです。

これをレールに当てはめるとどうなるのでしょうか?

パワーパックが前進になってる時と考えると、緑のラインが進行方向右側のレールに掛かっている電圧(V)で、パワーパックを触らない限りは延々と緑のラインは右に続いて行きます。

では、左のレールに掛かっている電圧はどれでしょうか?

グラフの基点にある「0」からの黒色の横軸がそれにあたります。

左のレールは「0V」ということで、0V=GNDレベルとなります。

一方の交流をレールに流すとどうなるのでしょうか?

直流のグラフと見比べて見て次回まで想像しておいてください。

このシリーズは転載は禁止しますが、記事へのリンクはフリーです。許可も不要です。
 


タグ:DCC
コメント(16)  トラックバック(0) 
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コメント 16

sin

>1.「そうなのね。」と素直に思われた方は、電気知識は「ど素人レベル」です。

>2.「あれ?DCじゃないの?」と思われた方は、電気知識は「素人レベル」です。

>直流のグラフと見比べて見て次回まで想像しておいてください。

1/1のスケールの鉄道では、直流区間と交流区間があります。
ゲージ幅は1067mm と 1435mmが主流です

例えばJR黒磯から先の在来線が交流20KV区間です。
首都圏は直流1500Vです。区切り部分にデッドセクションがあります。

交直両用の車輌は惰性で走り一旦パンタを下げます・・デッドセクション通過中に交流モード<=>直流モードを切り替えます。

九州の在来線も全て架線があるところは交流20KVですね。
架線がない区間は気動車(気動電気機関車)か蒸気機関車でないと走れません。

交流は換気扇のようにプラグを入れ替えても回転方向が変わりません。
では、なぜ、交流電車な列車は逆方向(モーター反転)に帰ってこられるのでしょう??

新幹線は全線交流25KVです、雨が降ると架線が「ジ~~ジ~」うなっていっるのが怖いです。

直流は電圧を変えるのが実は大変です。交流はトランスを噛ませば簡単に電圧を変更できます。

直流には絶対にトランスを噛ましてはいけません。
何故か??ショートしてしまうからです。
加熱し中の絶縁物が溶けてレアショートして故障します。

直流はロスが多く遠くまで送電するのは大変ですが交流は遠くまで
変電所も多く造らないで運べる利点があります。

製作、頑張ってください。

by sin (2016-06-06 17:44) 

親爺ぃ

sinさん、コメントありがとうございます。

>交流は換気扇のようにプラグを入れ替えても回転方向が変わりません。

親爺ぃの交流の知識はど素人なのは、sinさんが一番知ってるしょ?(爆)
この問題は2年位前にsinさんから出た記憶があります。
まだ覚えていたのね。(-_-;)
あれから親爺ぃはArduinoのお勉強が忙しくて、交流のお勉強は一切していません。
それでもおぼろげながら解ってきたのです。
交流に極性がどうだこうだと言える話ではありません。
東日本では、1秒間に50回も極性が切り変わっているものを、どうやってプラスだマイナスだと言えるのでしょうか?
換気扇のコンセントを差し替えたところで、換気扇のモーターは知ったことではありません。(爆)

>では、なぜ、交流電車な列車は逆方向(モーター反転)に帰ってこられるのでしょう??

終着駅にリバース線があるのかもしれません。
上野駅のようにどん詰まりは、そうはいきませんが、きっと終電が終わった後にクレーンで機関車を釣って向きを変えるのかもね。

まあ、冗談はこれくらいして、ズバリ正解を書きましょう。
ギヤをバックに入れるのさ!
どうだい、参ったかい?
確かこの2問は正解するとお城をいただけることだったよね?
忘れたとは言わせないよ。(核爆)


by 親爺ぃ (2016-06-06 21:25) 

親爺ぃ

>直流には絶対にトランスを噛ましてはいけません。
>何故か??ショートしてしまうからです。
>加熱し中の絶縁物が溶けてレアショートして故障します。

これはまるで電動ポイントコイルに直流電流を流し続けたのと、同じことですね。

すると、PECO電動ポイントPL-10の説明書に記載されている、AC電源を使えという謎が解けました。
間違ってAC電流を流し続けても火災にはならないってことではないですか。
PECOって、そこまでユーザーのことを考えていたのか。(凄)


by 親爺ぃ (2016-06-06 21:51) 

sin

>どうだい、参ったかい?

正解は書きませんが、不正解なので参りません・・・

>忘れたとは言わせないよ。(核爆)

ではココで、言わせてもらいます、「忘れました」 ~>どのみち不正解です。
でも、お城は断層地震で石垣が崩れました。立ち入り禁止です。

そしてなにより、加齢と金麦により、認知症と痴呆症を同時に発症しております。何卒、よろしくお願いします。

製作、ご自由に頑張ってください。


by sin (2016-06-06 22:01) 

親爺ぃ

>sinさん
えっ!違うのかい。
それしか思いつかないけどなぁ~。(-_-;)
#もしかして、お城をあげたくないのでウソついてるのかもね。(爆)
by 親爺ぃ (2016-06-06 22:57) 

Nardi

電気解説来ましたね!こういうの待ってました!
自分は1番なので電気知識は「ど素人レベル」です。

親爺ぃさんなら理解できてるとおもうので交流の時にブリッジ」整流回路を
是非解説に加えてくださいまし。
あともちろん動画も勝手に張ってOKです!
自分も引用とリンクさせて頂きます!

電荷がマイナス?マイナスからプラス?
プラスからマイナスに流れるんじゃないの?
と、またド素人どころか小学校からやりなおせと妻にディスられてます。
by Nardi (2016-06-07 06:31) 

親爺ぃ

Nardiさん、コメントありがとうございます。

>親爺ぃさんなら理解できてるとおもうので交流の時にブリッジ」整流回路を是非解説に加えてくださいまし。

だ~か~ら、親爺ぃは交流はど素人って言ってるでしょ!(爆)
私は興味の無い話には首を突っ込まない主義なんですよ。
そういう話は他の方が難解なことをさらに難解に解説してくれますよ。(爆)
by 親爺ぃ (2016-06-07 08:40) 

親爺ぃ

>sinさんに逆質問です。

なぜトランスは交流はOKなのですか?
トランスをコイルと見立てると、交流はコイルに流れにくくなる性質なので電流がわずかしか流れないので問題なしってことでしょうか?
直流だとダ~~~~~~~~~~~って流れてしまうからかな。
by 親爺ぃ (2016-06-07 08:45) 

sin

>なぜトランスは交流はOKなのですか?

簡単な質問ですが、ココに書くのは大変ですが、簡単に書きます。

>トランスをコイルと見立てると、交流はコイルに流れにくくなる性質なので電流がわずかしか流れないので問題なしってことでしょうか?

そう、そこなんです!

コイルには”インダクタンス”という抵抗のような難解なものがあって交流電流を流れにくくしている(ある程度ですが)と思ってください。

トランスは、ご存じの通り巻き線比によって1次側から2次側へ電圧を変えて受け渡すモノです。

で、このコイルに交流電圧をかけてあるインダクタンスによって制限された電流は徐々に増えていき磁束として蓄えられ二次側に吸い込まれ(言い方が変ですが言葉がうかばない)消費されます。

このインダクタンスはその巻き線の巻数や太さによって大きなモノから小さなモノまで存在しますが、(あえて低周波)交流は電圧が行き来しているので磁束飽和に行き着くまでに瞬時ではありますが時間が取れます。大きいモノは飽和しずらく小さいモノは飽和しやすいわけです。

でも直流は一瞬で飽和し=ショートします。=電圧は上げ下げなくドカンと流れます。直流はインダクタンスには影響を受けないのです。

大きいトランスほど飽和までのインダクタンスが大きいので大きな電流を取り出してもショット-しません。

交流を入力したトランスでも決められた容量をオーバーして使えば磁気飽和して(インダクタンスはほぼゼロになります)ショートしますので注意してください。

トランスの飽和(インダクタンス=ゼロ)は上手く表現できませんがそれは恐ろしいことです。

書いててよく分からりませんがそんな感じです。

>直流だとダ~~~~~~~~~~~って流れてしまうからかな。
 
分かってるじゃありませんか・・・!!! さすがです!!






by sin (2016-06-07 15:01) 

親爺ぃ

sinさん、難しい話をより難しく解説していただきありがとうございます。

>書いててよく分からりませんがそんな感じです。
読むほうもよく分かりませんがそんな感じは分かります。

>分かってるじゃありませんか・・・!!! さすがです!!
初めて褒められてご満悦です。

by 親爺ぃ (2016-06-07 20:50) 

sin

ただいま清書中です、一連の回答を後ほど・・・ズラッといきます・・・

お楽しみに・・・

by sin (2016-06-07 21:11) 

親爺ぃ

>sinさん

文字制限は無いかと思われますが・・・(-_-;)

by 親爺ぃ (2016-06-07 21:37) 

sin

交流モーター = 回転方向 同一

直流モ-ター = 極性によって回転方向が変わる。


1/1スケールな交流区間と直流区間

交流電車はなぜ、戻って来られるか??(モーターが反転するか?)

実は主動力のモーターは直流仕様です。バックギヤは使っていません。
ギヤを噛ますとギヤのかみ合わせエネルギーロスで100%のパワーが伝わりません。

電車の駆動はできればギヤを無くし理想は車軸=モーター軸の1:1です。
ギヤがあれば欠けたり割れたり故障の原因にもなります。

気動車は”変速機”があるのでバックではありませんがバックギヤ的(逆進切り替え)なモノで戻ってくることができます。

交流電車は、車体内に「変電所」を背負って走っています。ただし、直流専用電車に比べて
格段に重くなるので俗に言う”燃費”が悪くなります。

首都圏での過密ダイヤでたくさんの駅が有り、ゴー&ストップが多い地域では車重が重いのは
非常に不利です。よって、車輌は軽くて燃費がよい直流車が有利なのです。

ただし直流は送電ロスが多いので交流で送配電した変電所(で直流給電所)があちらコチラに必要になります。

さて、問題の交流区間です。
山間部や閑散ダイヤな地方路線/長距離区間(新幹線もこの理由)で費用の問題人員やメンテナンス等、
総合判断でたくさんの変電所が建設できない場合、交流区間が有利です。

長い区間を走る交流電車は重い反面、惰性(だせい)で走るときは逆に有利となります。
昨今では交流回生ブレーキを使いブレーキで発電した交流電力を架線に戻しています。

EF81電気機関車は3電源=交流50/60Hz+直流区間を踏破できるためトゥワイライトエクスプレス(大阪ー札幌)で使われました。
北海道の一部非電化区間はDD51に換装されました。

更に電化するのも大金がかかるとき単線でも事足りる(大昔のタブレット式区間)場合は非電化です

直流は交流に比べて持っているエネルギー(電力効率という観点から)が大きいのです、
その代わりに送電する上でもロスが多く電圧を変えるのはちょっと大変です。
(模型用パワーパック程度では簡単ですが、電力工学上のお話しなので省略~用語VVVF等~)

交流はエネルギー効率は直流に比べて大きなエネルギーが運べないのですが
送電ロスが直流に比べて大幅に低いのです。

詳しくは 交直両用電車
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%A4%E7%9B%B4%E6%B5%81%E9%9B%BB%E8%BB%8A
ここら辺をご覧下さい

同じ理由で新幹線の給電は交流25KVです。車輌内の”変電所”で直流に変えた電力で
DCモ-ターで走行しています。よって極性の切り替えで戻って来られます。

終着駅にリバース線はありません。
長い区間、変電所を何カ所も造るより中継させたAC給電所だけでイイのです。

なじみ深いご家庭の電圧 = ACコンセント で例に考えます。
100Vで10A 流れると 1000W です でも、10Aの電流を流す電線が必要です。

仮に(あくまでも仮です)500V の電圧があれば 1000Wの電力を送るために0.2Aで
いいのです。0.2Aが流せる細い電線でいいのです。

でも、各部品の絶縁耐力やその他部品の耐圧仕様を大きくしていかなければならず性能対コストを考慮する必要があります。

この理由で高電圧を架線に流す交流電化区間なのです。

ちなみに北欧の一般家庭コンセントはAC230Vです。
この同じ10Aの電流は直流と交流では転送ロスが違います(違うということだけ覚えてください)

電線には”抵抗”があります、その抵抗によって”発熱”します。
交流に比べて直流送電はロスが多い(理屈はここで書くのは大変なので省略)


ざっとで申し訳ありません。  以上です。


by sin (2016-06-07 22:11) 

sin

誤記修正
0.2A => 2Aに訂正

申し訳ありません。
by sin (2016-06-07 22:17) 

親爺ぃ

>sinさん
分かりやすい説明で助かります。

>交流電車は、車体内に「変電所」を背負って走っています。

この話、前に聞いたよね。(-_-;)
物忘れが激しくなったのではなく、興味が無いからスルーしちゃったのね。(爆)

発電所からの送電も同じ理由で交流・高電圧で送るわけですね。

ところで、換気扇の件は?
換気扇をバラしたところ、ヒューズとコンデンサが一個ありました。(笑)




by 親爺ぃ (2016-06-07 22:53) 

sin

>ところで、換気扇の件は?

しばらく、お休み・・・タイプ、不得意なのです・・
by sin (2016-06-07 23:05) 

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