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急勾配用新幹線Ｅ2系――「あさま」
（新幹線テクノロジー　佐藤芳彦著　2004年刊　p128-134）

長野新幹線の勾配と標高 1　概要 2　車体および客室設備 3　台車 4　制御システム 5　ブレーキシステム

筆者紹介 1945年　生まれ 1971年　東工大修士（制御工学）卒→国鉄 1977年　車両設計事務所で電気機関車およびATC、ATSの設計 1981年　小倉工場車両第一課長 1983年　工作局修車課補佐 1987年　ＪＲ東・投資計画部担当課長 1989年　運輸車両部車両課長 1990年　パリ事務所次長 1994年　パリ事務所長 1996年　運輸車両部担当部長 2000年　東日本トランスポーテック取締役

長野新幹線の勾配と標高図

1　概要

北陸新幹線（長野新幹線）の高崎〜軽井沢間の建設工事開始とともに、勾配線用の新幹線電車Ｅ2系「あさま」の開発がJR東日本で進められた。 　 30‰の勾配は在来線にもあるが、高崎〜軽井沢間は上図に示すように勾配が約30km連続し、そこを時速200kmで走行することに問題があった。 　上り勾配のみの走行であれば、電動機の出力を増して力ずくで乗り切ることが可能である。 　また、短い距離で勾配のアップダウンが続くならば、下り勾配で加速しても次の上り勾配で減速するので、あまり大きな問題にはならない。 　フランスのＴＧＶ南東線の35‰勾配はその意味でも車両の性能上クリティカルなものとはならなかった。 　連続する下り勾配を高速で走行するためには、ブレーキで運動エネルギーを如何に吸収するかが課題である。

開業した長野新幹線の新型電車Ｅ２形「あさま」号　安中榛名駅にて

　すべて機械ブレーキに頼ると、ブレーキディスクの温度が上昇し、その限界を超えるとディスクが歪んだり、破損したりする。従って、走行用の電動機を発電機として使用し、運動エネルギーを電力に変換する電気ブレーキを使用する必要がある。
　0系（最初の新幹線電車）、200系（東北新幹線用）および100系（0系置換え）では、電気ブレーキで得られた電力を車両に搭載した抵抗器で熱エネルギーにして発散している。
　エネルギー効率から見ると無駄といえるが、サイリスターを使用した制御器では、発電機で発生する電力（直流）を質の良い交流電力に変換することが難しく、変電所にフィルタを設ける必要があった。
　このため、新幹線は永らく電力回生ブレーキを使用していなかった。
　しかし、急勾配を下りるときの初速ブレーキのエネルギー吸収に抵抗器を使うと、抵抗器の容量を大きくしなければならず、車両が重くなる。 
　山形新幹線用の400系の場合には勾配を下りる速度が時速70〜80kmであったので、なんとか抵抗器を搭載することができたが、時速200kmでは吸収すべきエネルギーはけた違いに大きくなる。
　このため、抵抗器を不要とする電力回生ブレーキが必要となった。
　Ｅ2系はＶＶＶＦインバーター制御誘導電動機駆動を採用し、パワーアップを図るとともにブレーキエネルギを効率良く電力に変換して、電源側に返す電力回生ブレーキを採用した。
　これにより地上設備のコストダウンと速度向上のために車両の軽量化も達成した。
　東海道新幹線の300系でも同様のシステムを採用しているが、Ｅ2系はさらにリファインしている。 
　6Ｍ2Ｔの8両編成で、2両1ユニットの電動車を3ユニット、6両連結している。
　万が一、制御器等の故障で1ユニットの機能が失われても、勾配走行には問題がない。
　長野新幹線は軽井沢と佐久平の間で、電源周波数が50Ｈzから60Ｈzに変わる。
　日本の商用周波数が東西で異なっているためである。東海道新幹線は周波数変換装置を設けて60Ｈzに統一したが、長野新幹線は、技術の進歩によって2種類の周波数を使用しても問題が無くなった。
　2種類の周波数を使用することは車両の変圧器、制御器、冷房装置や機器冷却用送風機の性能に影響を及ぼす。
　家庭用電化製品でも洗濯機をはじめ50/60Ｈz両用のものは多いが、パワーの大きい機器では、周波数の差は無視できない。
　変圧器は少し重くなるが、50/60Ｈz両用で設計した。変圧器からの電流は直流に変換されてＶＶＶＦインバータに入力されるので、インバータと電動機については容易に対応できる。 200系等の単一周波数の電車では、変圧器からの電流で直接駆動できるように冷房装置等は単相交流タイプであった。
　Ｅ2系では冷房装置等を三相交流タイプにして､単相交流から三相交流440Ｖ、60Ｈzに変換する補助電源用インバータから電流を供給するようにした。
　また、ＡＴＣの地上から受信する信号周波数の解読は、電源周波数に同期したシステムなので、50/60Ｈzの切り換えに合わせて、解読コードも切り換えている。
　主電動機出力は300kＷであり、変圧器等も軽量化され、アルミニウム合金の車体を採用したことも寄与して、軸重は13t（定員乗車時）となった。
　この軽量化はＳＴＡＲ21（ＪＲ東の高速新幹線試験車）の開発成果が反映されている。
　量産先行車として8両編成1本が1995年4月14日に落成し、先に落成していた秋田新幹線用のＥ3系1本とともに性能や耐久性確認のための各種試験が行われた。
　この中には､北上〜盛岡間での時速315kmによる耐久試験も含まれている。
　試験結果から一部設計変更を行い、量産車が27編成製造された。
　14編成は東北新幹線で1997年3月から使用され、量産先行車を含む14編成は長野新幹線で1997年10月開業とともに使用を開始している。東北新幹線使用の編成は、秋田新幹線「こまち」と連結して走行するため、自動分割併合装置を取り付けている。
　最高運転速度は時速275kmである。塗色は窓から下を紫がかった青、上を白とし、境目に赤の帯を配している。
　車体には高原の風をイメージしたシンボルマークを表記している。
　2002年12月の東北新幹線八戸延伸に合わせてＥ2系1000台が開発された。
　量産先行車は6Ｍ2Ｔの8両編成であり、東北新幹線専用であることから50Ｈz専用となった。
　補助回路はインバータ出力の三相交流に代えて変圧器三次巻線からの単相交流を供給するようになった。
　量産車は8Ｍ2Ｔの10両編成となり、八戸開業前に10両編成6本が製造された。
　それに合わせて、既投入のＥ2系14編成についても1000台に準じた中間車2両を新造して増結し、10両編成となった。
　八戸開業に合わせて、東京〜八戸問の列車は「はやて」と命名され、全てＥ2系を使用し、東京〜盛岡間はこまちと併給するようになった。また、塗色も白と青は同じであるが、帯の色をこまちと同じピンクとして、シンボルマークもあさまをイメージしたものとして、あさまに使用しているＥ2系と区別している。
　あさま編成は7号車がグリーン車であり、5号車に売店コーナーを設けている。はやて編成は9号車がグリーン車となっている。

2　車体および客室設備

　　　省略

3　台車

　ゴム併用板ばね式櫛箱支持のボルスターレス台車であり、軸距2,500mm、車輪径860mmを採用している。中ぐり軸、アルミニウム製歯車箱採用による軽量化も新幹線の定番メニューとなった。
　両先頭車の付随台車は、Ｅ1系と同様にディスクブレーキのみとなっている。電動台車を含めて、ブレーキディスクの熱容量は電気ブレーキが失効した場合でも30‰の下り勾配で停止できるようにしている。 1000台は車体間ダンパとフルアクティブ制御およびセミアクティブ制御サスペンションを採用して、乗り心地を向上している。

4　制御システム

　50Ｈzと60Ｈz両用となっており、ＶＶＶＦインバータ制御誘導電動機駆動を採用している。
　あさま編成は8両のうち6両が電動車であり、4号車と6号車にパンタグラフを設け、3、5および7号車床下に主変圧器を搭載しているので、3〜7号車を屋根上の特別高圧母線で給んでいる。
　各電動車は出力300kＷの主電動機4台を搭載し、1台のＶＶＶＦ主変換装置で出力300kＷの主電動機4台を駆動している。主電動機に供給する電源はコンバータで一旦直流に変換して、インバータで3相交流に変換しているので、電車線の周波数が50Ｈzでも60Ｈzでも同じように制御することができる。
　主変換装置は、比較のためにＧＴＯ素子使用のもの2種類、ＩＧＢＴ素子使用のもの1種類の計3種類が作られた。 ＧＴＯのうち一つはシーメンスのものであり、ドイツのＩＣＥ等で使われていたベクトル制御を採用している。
　ＩＧＢＴ(lnsulated Gate Bipolar Transistor)素子は電流の開閉速度をＧＴＯよりも速くすることができるので、インバータの変調周波数を高くして、耳障りな磁歪音等を小さくしている。
　また、ＧＴＯでは電流のオンオフのためにスナバコンデンサ等の付属部品が必要であったが、ＩＧＢＴではそれらを省略できるので、装置自体の軽量化も可能となる。 
　Ｅ2系はＩＧＢＴの試験車としても位置付けられた。 1000台はベクトル制御のＩＧＢＴインバータとしている。
　各機器の冷却用電動送風機、電動空気圧縮機、冷房装置および連続換気装置の電源として、主変圧器の三次巻線の単相交流は使えないので、補助電源用コンバータ／インバータで60Ｈz、440Ｖの三相交流を作っている。 
　Ｅ2系では、2、4および6号車に補助電源用コンバータ／インバータを搭載し､3台のインバータ出力を結んで協調運転を行っている。従って､3台のうち1台が故障しても､補助電源の供給には問題ないようにしている。
　1000台では、東北新幹線のみの使用であるので、補助電源はＥ1系等と同じように主変圧器三次巻線出力の単相50Ｈz、440Ｖと簡素化している。
　この場合、補助電源は1〜3号車、4〜5号車、6〜7号車、8〜10号車のユニット毎に給電するようにし、異常時のみ、隣のユニットから給電（延長給電）するようになっている。延長給電のときには負荷を半減するため、冷房装置等も一部カットする。

5　ブレーキシステム

　電力回生ブレーキとディスクブレーキ併用であり、ブレーキ指令に応じて電気ブレーキと空気ブレーキの混合制御を行っているのは200系以降と同様である。勾配初速ブレーキにより、30‰下り勾配でも時速200kmで走行可能としている。