新幹線の給電方式は？

日本の新幹線は世界に誇る高速鉄道網ですが、その技術的な裏側、特に給電方式は、一般的にあまり知られていません。 「新幹線は電化されている」という認識は広く共有されていますが、その電圧や方式は在来線とは大きく異なり、独自の複雑なシステムを採用しているのです。 本稿では、新幹線の給電方式について、その仕組みや理由を詳細に解説します。

まず、新幹線が採用しているのは、在来線の交流25kVとは異なる、非常に高圧な交流電流です。 具体的には、架線電圧は路線によって異なり、154kVから275kVの範囲で運用されています。 この高電圧を採用する理由は、主に2点あります。1つは、高電圧化によって送電ロスを大幅に削減できることです。 長距離を高速で走行する新幹線では、少しでも電力の損失を減らすことがエネルギー効率の向上に直結し、経済的なメリットも大きくなります。 もう1つは、大電流を流す必要がないため、架線の太さを細くできる点です。 架線の太さを細くすることで、重量を軽減し、コスト削減やメンテナンス性の向上に繋がります。

しかし、そのままの高電圧を車両に供給することはできません。 車両の機器は、より低い電圧で動作するように設計されているため、高圧の交流電流を適切な電圧に変換する必要があります。 そこで新幹線では、まず架線から受電した高圧交流電流を、変圧器を用いて降圧します。 ここで注目すべき点は、新幹線の変圧器が、一般的な変圧器とは異なる独自の設計を採用している点です。 一般的に三相交流で送電される電力ですが、新幹線では、車両への給電を単相交流で行うため、三相交流から二相交流への変換が必要となります。

この変換には、スコット結線形や変形ウッドブリッジ結線形といった特殊な変圧器結線方式が用いられています。 これらの方式は、三相交流から二相交流への変換を効率的に行うだけでなく、車両の走行による電圧変動を抑制する効果も持ちます。 さらに、新幹線の車両には、それぞれ独立した変圧器が搭載されているわけではなく、複数の車両をまとめて給電するシステムが採用されている場合もあります。 これは、電力供給の効率化と安定性確保に貢献しています。

最後に、降圧された交流電流は、車両内の様々な機器に供給されます。 モーターの駆動はもちろんのこと、空調設備や照明、情報機器など、車両のすべての機能は、この電力によって支えられています。 この一連の給電システムは、高度な技術と精密な制御によって支えられており、安全かつ安定した高速運転を可能にしています。 新幹線の安定した運行の裏には、このように複雑で高度な電気技術が隠されているのです。 一見単純に見える高速鉄道の運行には、多くの技術革新と工夫が凝らされていることを理解することは、日本の技術力の高さを感じさせる貴重な機会となるでしょう。