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1−1:2両1ユニット

0系は4〜16両編成を組んでいるが、必ず言えることは、2両1ユニットであり、そのユニットが何組か(2〜8組)合わさって1編成を組んでいる。そのため、0系については、営業用車では1編成が奇数であることはあり得ない。また、一部にパンタグラフ車1両で動くと言う誤解もあるが、それも間違いである。

新幹線はその運転に際して大きな出力が必要とされたので、機器類を2両に分散させることにより、大きな機器を搭載することが可能になった。このユニット方式は昭和30年代当時の「高性能車(主にカルダン駆動)」化する際には大電力対応の制御器を製作する際に必要で、国鉄ではモハ90形(後の101系)で初採用、以来長らく国鉄の旅客電車は原則としてこの方式が使われ続けてきた。

ユニットの下り方と上り方の車両で機能を分散しており、一目で分かるのは、下り方には洗面所があり(その部分だけ窓がない)、上り方にはパンタグラフが付いていること。下り方を「M車」、上り方を「M’車」と呼ばれる。機器は具体的に、M車は制御関係(主制御器や発電ブレーキ用主抵抗器など)、M’車は電源関係(主変圧器やカム式低圧タップ切替器、空気遮断機など)が搭載されている。ただし発電ブレーキ回路自体は1両単位の独立したものとなっている。

表にまとめると以下の通り。

奇数形式(M車) 偶数形式(M’車) 共通
主抵抗器(MR200)
主制御器(CS21)
電動発電機(MH1040-DM74)
遮断機(CB26)
ブレーキ制御装置(C39)
蓄電池
水タンク
汚物処理装置
パンタグラフ(PS200)
主平滑リアクトル(IC200)
源流リアクトル
主シリコン整流器(RS200)
限流リアクトル(IC201)
低圧タップ切替器(LTC200)
高圧機器箱(遮断機、避雷機)(CB200)
主変圧器(TM200)
電動空気圧縮器(MH1041-TC1000)
台車(DT200)
主電動機(MT200)


電気の流れを簡単に示すと、パンタグラフから集電された交流25000V(60hz)の電力は空気遮断機を経て主変圧器に達する。ここで補助電源の電力が取り出され、送風機や空気圧縮器(CP、コンプレッサー)、空調、電動発電機(MG)に使われる。一方制御用の電力は低圧タップ切替器によって規定された電圧に変換される。低圧タップ切替器は一種のカム式スイッチで、変圧器の低圧側のコイル巻き数を見かけ上変化させることにより、25段階(ハンドルは10段階)の電圧が取り出せるようになる。しかしここで取り出した電力はまだ交流なので、シリコン整流器によって直流にする。でもその直流波は変動(脈流)するので、平滑リアクトルによって文字通り電圧を平滑化する。そしてようやく直流電動機に達し、回転する。直流電動機を用いるのは低速で高いトルクが得られると言う特性があるためで、当時交流電動機を用いた電気車は試作こそされたが実用化されなかった(※1)。

一方、ブレーキに関しては基本的に発電制動を用いる。これは回転している電動機に負荷(抵抗)をかけることによって回転数を落とし(※2)、ひいてはブレーキ力を得るものであり、これはブレーキ用のカム軸式制御器によってかける負荷を18段階に変化させる。また空気ブレーキとも併用されている(※3)。空気ブレーキは2系統あり、通常は電磁直通ブレーキ、非常時の緊急ブレーキが存在する。幾つかの系統を経て、車輪に隣接したディスクにパッドを押さえつけることで摩擦が生じブレーキ力を得る。鉄道車両は踏面を押さえつけるものが多いが、新幹線では踏面の中途半端な磨耗は振動や脱線事故につながることから摩擦ブレーキはディスクブレーキを使っている。空気ブレーキは一部「油圧ブレーキ」と書いてあることがあるが、これは最終的なシリンダーが油圧になっているだけのことで、他の系統は空気圧。緊急ブレーキは、ごく大雑把に言えばブレーキ回路が壊れたり等したら作動するように作られている。従って暴走する可能性は極めて低い。

(※1)交流電動機(誘導電動機)は商用周波数をそのまま使おうとすると起動トルクが小さい(内燃機関に似ている)ことから電車には向いておらず、昭和30年代にはダイレクトトライブや液体変速機(トルクコンバーター)を使った試作車が作られはしたが、効率の悪さ等から実用化されることはなかった。ちなみに交流電動機を用いた新幹線300系等は「三相交流」であり、可変電圧・可変周波数 -Variable Voltage Variable Frequency - VVVF 、架線の二相交流はそのまま使えないために、一度直流にしてから三相交流にしている。これは半導体技術の発達により可能になったものである。ただし電磁波のノイズが激しい(誘導障害)ために、信号等に影響を与えることから対策を施さないと走らせることが出来ない場合もある。

(※2)抵抗に掛かった電力は熱として捨てている。そのため停車時、主抵抗器(M車床下)から冬でも陽炎(かげろう)のように空気がゆらゆら揺れるのが見える。この電力を架線に戻して他の電車に利用すれば節電にもなって良いのにと思われるかも知れず、この発想自体は古くからあったのだが(回生制動)、実際に架線に戻すにはパンタグラフ(集電装置)の電圧を架線(電車線)よりも高くする必要があり、抵抗制御の場合は専用の回路が別に必要で場所、重量の増加につながり、また回生を働かせるには当然のことながら他に電力を消費するもの(電車等)が近くにあることが必要。新幹線300系が実用化された頃は高頻度運転で問題なかったものの、閑散線区では消費する相手がいないために「回生失効」が起こることが問題視され、勾配線区等、ブレーキ力が重要な線区の場合は電気制動に切り換えられるように専用抵抗器を積むか、地上側に吸電設備を付けるかのいずれかを行う必要があった。また架線の停電でも回生失効が生じるため安全上の問題が生じる恐れもある。

(※3)発電制動のブレーキ力は、基本的に高速域になるほど効果が大きいが、回転数が小さくなるとその効果がほとんどなくなり、「電制失効」が起こる。そのため、最終的には摩擦ブレーキで停車させる。摩擦ブレーキは文字通り磨耗して保守上厄介であるので、現在は基本的に摩擦ブレーキに余り頼らない「全電気ブレーキ(純電気ブレーキ)」も実用化されている。VVVFインバータの制御で逆のトルクをかけたり、周波数を0にしたりして低速で働く。これによりブレーキパッドの交換頻度が減少した。



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