交直流電車とは？直流・交流の違いから仕組み、代表的な車両までわかりやすく解説

皆さんが普段利用する電車が、電気で動いていることはご存知ですよね。しかし、その電気に「直流」と「交流」という2つの種類があることはあまり知られていないかもしれません。そして、日本の鉄道にはその両方の電気が使われている区間が存在します。そんな異なる電気の区間をスムーズに直通運転できるのが「交直流電車」です。

なぜわざわざ2種類の電気が使われているのでしょうか？そして、交直流電車はどのような仕組みで両方の区間を走れるのでしょうか？この記事では、そんな交直流電車の素朴な疑問にやさしくお答えします。直流と交流の基本的な違いから、交直流電車が生まれた背景、その心臓部ともいえる仕組み、さらには見分け方や代表的な車両まで、幅広くご紹介します。この記事を読めば、きっと鉄道の奥深さに触れ、いつもの電車に乗るのが少し楽しくなるはずです。

交直流電車とは？直流と交流の両方を走れる万能車両

まずは、交直流電車の基本について理解を深めていきましょう。電車を動かす電気の基本である「直流」と「交流」の違い、そして日本の鉄道でなぜ両方が採用されているのか、その理由を知ることで、交直流電車の存在意義が見えてきます。

そもそも直流と交流って何が違うの？

電気には「直流（DC: Direct Current）」と「交流（AC: Alternating Current）」の2種類があります。この二つの最も大きな違いは、電気の流れる向きです。

鉄道における両者のメリット・デメリットを簡単にまとめると以下のようになります。

電車のモーター自体は直流で動くものが基本です。 そのため、直流電車は架線から受け取った電気をそのままモーターに流せますが、交流電車は車両に搭載した「整流器」という装置で交流を直流に変換してからモーターを動かしています。

なぜ日本の鉄道は電化方式が統一されていないの？

日本の鉄道電化は、明治時代に路面電車から始まり、当初はすべて直流方式でした。 大都市圏の通勤路線や私鉄の多くは、車両コストを抑えられる直流1500Vが標準となっています。

しかし、1950年代に入ると、より少ない地上設備で長距離の電化を実現できる交流電化の技術がヨーロッパで実用化され、日本でも導入の検討が始まりました。 交流電化は、特に地方の長大路線や、大きなパワーが必要な新幹線においてメリットが大きく、国鉄時代に新たに電化された北海道、東北、北陸、九州地方の幹線や、その後の新幹線で採用が進みました。

また、特殊な例として、茨城県にある気象庁地磁気観測所周辺では、観測への影響を避けるために直流電化が法律で制限されており、常磐線の一部やつくばエクスプレスでは交流電化が採用されています。

このように、歴史的な経緯や、各区間の輸送量、コスト、地理的条件など、さまざまな理由が重なり合った結果、日本では直流と交流の電化方式が混在する現在の形になったのです。

直流専用・交流専用電車との違い

当然ながら、直流電化区間は直流専用電車しか走れず、交流電化区間は交流専用電車しか走れません。もし誤って進入すると、ショートして機器が破損し、走行不能になる大事故につながります。

直流専用電車は、架線から取り込んだ直流1500Vの電気を、抵抗器やVVVFインバータなどで制御してモーターを動かす、比較的シンプルな構造です。 首都圏や関西圏などで活躍する通勤電車のほとんどがこのタイプです。

一方、交流専用電車は、架線から取り込んだ交流20000Vという高い電圧を、まず車両に搭載した「主変圧器」で使いやすい電圧に下げ、次に「主整流器」で直流に変換してからモーターに送ります。 このように、交流を直流に変換するための装置が必要になるため、車両の構造は複雑で重くなります。

そして交直流電車は、これら両方の機能を一台の車両に搭載したものと言えます。 直流区間では直流電車として、交流区間では交流電車として走れるように、両方の電気に対応した回路や機器を備えているのです。 そのため、どうしても構造が複雑になり、製造コストも高くなる傾向にあります。

交直流電車はなぜ必要？その誕生の背景

直流と交流、それぞれの区間を走る専用の電車があれば十分なように思えるかもしれません。しかし、日本の鉄道網が発展する中で、どうしても両方の区間を直通運転したいというニーズが生まれました。ここでは、交直流電車が開発されるに至った歴史的背景と、そのメリットについて見ていきましょう。

長距離運行のニーズと電化方式の壁

1950年代後半から1960年代にかけて、日本の高度経済成長とともに、人々の移動は活発になり、より速く、より快適な長距離列車の需要が高まっていました。しかし、主要な幹線が次々と電化されていく中で、大きな壁となったのが「電化方式の違い」です。

例えば、首都圏（直流）から東北地方（交流）へ向かう場合、途中で電化方式が変わるため、直流専用電車はそれ以上進むことができません。そのため、乗客は電化方式の境界駅で、交流区間を走るための別の列車（当時は電気機関車やディーゼル機関車が牽引する客車列車が主でした）に乗り換えなければなりませんでした。これは時間も手間もかかる非効率なものでした。

この乗り換えの手間をなくし、首都圏から地方の交流電化区間までを1本の列車で結ぶこと。これが、交直流電車開発の最大の目的でした。日本初の営業用交直流電車である401系は、常磐線の取手駅以北の交流電化完成に合わせて1960年に登場し、この問題を解決しました。

高価でも導入するメリット

前述の通り、交直流電車は直流用と交流用の両方の機器を搭載するため、構造が複雑になり、製造コストも高くなります。 さらに、直流区間を走っているときは交流用の重い変圧器などが、交流区間を走っているときは直流用の一部の機器が、ただの「重り（デッドウェイト）」になってしまうという非効率な面もあります。

それでも交直流電車を導入するメリットは、それを上回るものでした。

• 利便性の向上：境界駅での乗り換えが不要になり、所要時間が短縮され、乗客の負担が大幅に軽減されます。
• 効率的な車両運用：1つの編成で長距離を直通できるため、境界駅での車両の分割・併合や、折り返し列車の設定などが不要になり、車両運用や乗務員の手配が効率化されます。
• 線路容量の増加：境界駅での折り返し列車が減ることで、駅構内の線路のやりくりに余裕が生まれ、より多くの列車を運行できるようになります。

これらのメリットにより、交直流電車は特急列車や中距離の普通列車を中心に、日本の鉄道ネットワークの発展に不可欠な存在となっていったのです。

技術の進歩が交直流電車を発展させた

初期の交直流電車は、当時の技術的な制約から機器が大型で、故障も少なくありませんでした。しかし、その後の半導体技術やパワーエレクトロニクスの目覚ましい進歩により、交直流電車も大きく進化を遂げます。

特に、VVVFインバータ制御技術の登場は大きな転機となりました。これにより、交流から変換して得られた直流電流を、再度、モーターを最も効率よく動かせる三相交流に変換して制御できるようになりました。この技術は、現在の交流電車や交直流電車の標準となっています。

機器の小型化・軽量化・高信頼性化も進み、かつては床下の大部分を占めていた機器類もコンパクトに収まるようになりました。これにより、メンテナンス性の向上や車両の軽量化、さらには省エネルギー性能の向上にもつながっています。

このように、技術の進歩とともに性能を高めてきた交直流電車は、今や日本の鉄道網をシームレスに結び、私たちの快適な移動を支える重要な役割を担っているのです。

交直流電車の心臓部！その仕組みを徹底解剖

直流と交流、異なる電気が流れる架線同士を直接つなぐことはできません。もしつなげば、ショートして大規模な停電を引き起こしてしまいます。 では、交直流電車はどうやって二つの区間を安全に通り抜けているのでしょうか。その秘密は「デッドセクション」と呼ばれる特殊な区間と、車両に搭載された切り替え装置にあります。

直流と交流を切り替える「デッドセクション」

デッドセクションとは、その名の通り「電気が流れていない区間（死電区間）」のことです。 直流区間の架線と交流区間の架線の間に、数メートルから数十メートルの電気が流れない部分を意図的に設けることで、両方の電気が混ざり合うのを防いでいます。

電車がこのデッドセクションを通過する際、次のような手順で電気方式の切り替えが行われます。

1. 力行（りっこう）・加速の停止：デッドセクションの手前で、運転士はモーターへの電気供給を止め、惰性で走行します。
2. パンタグラフがデッドセクションを通過：電車は惰性で走りながら、電気が流れていないデッドセクションを通過します。この間、車内への電力供給は完全に止まります。
3. 電気方式の切り替え：運転士はデッドセクションを通過中に、運転台にあるスイッチで車両の回路を次に入る区間の電気方式（直流→交流、または交流→直流）に切り替えます。
4. パンタグラフが次の区間の架線へ：デッドセクションを抜け、パンタグラフが次の電気方式の架線に接触すると、切り替えられた回路に電気が流れ込みます。
5. 力行・加速の再開：運転士は再びモーターに電気を送り、加速を再開します。

昔の交直流電車では、デッドセクションを通過する際に一瞬、車内の照明が消え、空調も止まるのが当たり前でした。 これは、架線からの電力供給が途絶えるためです。しかし、最近の車両では、蓄電池（バッテリー）を搭載しており、デッドセクション通過中も照明や空調が止まらないようになっています。

屋根の上の複雑な機器たち（パンタグラフ周辺）

交直流電車と直流専用電車を外から見分けるポイントの一つが、屋根の上、特にパンタグラフの周辺です。

直流1500Vに比べて、交流20000Vは非常に高い電圧です。そのため、交流区間を走行する交直流電車は、この高電圧に耐えられるだけの厳重な絶縁対策が施されています。

パンタグラフを車体に取り付けるための土台や、そこから車内に電気を引き込むための配線を支える部品には、「碍子（がいし）」と呼ばれるセラミック製の絶縁体が使われています。交直流電車では、高い電圧に耐えるために、この碍子が直流専用電車に比べて非常に大きく、数も多くなっています。

また、パンタグラフの周りには、交流と直流の回路を切り替える「交直切換器」、交流用の電気を遮断する「真空遮断器（VCB）」、異常な高電圧から機器を守る「避雷器」など、さまざまな機器が所狭しと並べられています。 直流専用電車の屋根上が比較的すっきりしているのに比べ、交直流電車の屋根上はこれらの機器で非常に賑やかな印象を受けます。

車内の装置はどうなっている？

交直流電車の内部、特に床下には、交流と直流の両方に対応するための重要な機器が搭載されています。その代表格が「主変圧器」と「主整流器」です。

主変圧器（トランス）
交流区間で架線から取り入れた20000Vの非常に高い電圧を、モーター駆動や補助電源（照明、空調など）で使いやすい電圧に下げるための装置です。非常に大きく重いため、通常は床下に搭載されます。

主整流器（コンバータ）
主変圧器で電圧を下げられた交流の電気を、モーターを動かすための直流の電気に変換する装置です。

近年の電車では、これらに加えて「主変換装置（CI: Converter/Inverter）」が主流です。これは、交流を直流に変換するコンバータ機能と、その直流をモーター駆動に最適な三相交流に再変換するVVVFインバータ機能を一体化した装置です。 この装置のおかげで、よりきめ細かなモーター制御と省エネルギー性能の向上が実現されています。

交直流電車は、これらの装置を使い分けることで、どちらの電気区間でもスムーズに走行することができるのです。直流区間では主変圧器や主整流器を介さず、直流の電気を直接インバータに送ってモーターを制御します。

あなたは見分けられる？交直流電車の見分け方

少しマニアックな話になりますが、交直流電車には外観から判別できるいくつかの特徴があります。これを知っていると、駅で電車を待っている時間が少し楽しくなるかもしれません。ここでは、代表的な見分け方のポイントを3つご紹介します。

パンタグラフ周りの「がいし」に注目！

最も分かりやすい見分け方のポイントは、前述したパンタグラフ周辺の「碍子（がいし）」です。

碍子は、電気を流す部分と車体を絶縁するための重要な部品です。直流1500Vと交流20000Vでは、電圧が10倍以上も違います。感電や漏電を防ぐためには、電圧が高ければ高いほど、絶縁するための距離を長く取る必要があります。

そのため、交流20000Vに対応する必要がある交直流電車の碍子は、直流専用電車に比べて非常に大きく、長い形状をしています。 また、安全性を確保するために、碍子の数も多く設置されています。

一方で、直流専用電車のパンタグラフ周りは、碍子が小さく数も少ないため、非常にシンプルですっきりして見えます。 駅に停車している電車の屋根上を見比べてみると、その違いは一目瞭然です。

屋根上機器の多さが見分けるポイント

碍子の大きさに加えて、屋根上に搭載されている機器の多さも重要なヒントになります。

交直流電車には、直流と交流を切り替えるための装置や、高電圧の交流電気を安全に扱うための保護装置など、直流専用電車にはない特別な機器がたくさん搭載されています。

これらの機器がパンタグラフの周りに配置されているため、交直流電車の屋根の上は、直流専用電車に比べて機械的で複雑な印象を受けます。普段あまり注目することのない電車の屋根ですが、少し見上げて観察してみると、その電車の素性を知る手がかりが隠されています。

形式番号で判別する方法

もっと確実に交直流電車を見分けたい場合は、車両の形式番号を確認するのが一番です。国鉄時代からのルールで、電車の形式番号（例：クハE531-1001）には、その車両の種類を示す数字が割り当てられています。

一般的に、3桁の数字で表されることが多い電車の形式番号ですが、その百の位の数字を見ると、電気方式を判別することができます。

百の位が「4」「5」「6」で始まる電車は、基本的に交直流電車であると覚えておくと良いでしょう。 例えば、常磐線を走るE531系や、特急「サンダーバード」で活躍する683系などがこれに該当します。

ただし、JR化後には会社ごとに新しい命名規則が導入されたり、改造によって形式が変わったりすることもあるため、例外も存在します。とはいえ、多くの車両にこのルールが当てはまるため、非常に有力な見分け方と言えるでしょう。

日本の大動脈を支える！代表的な交直流電車たち

直流区間と交流区間をまたいで活躍する交直流電車は、特急列車から普通列車まで、日本のさまざまな場所でその姿を見ることができます。ここでは、私たちの生活に身近な代表的な交直流電車をいくつかピックアップしてご紹介します。

【JR東日本】E531系（常磐線）

首都圏の鉄道ファンや常磐線ユーザーにとって、最も身近な交直流電車といえばE531系でしょう。 2005年に、長年活躍してきた403系や415系といった国鉄型車両を置き換える目的で登場しました。

E531系は、JR東日本の標準的な通勤・近郊型電車であるE231系をベースに開発された交直流電車です。 直流区間である上野・品川から、茨城県の取手駅の先にあるデッドセクションを越えて、交流区間である土浦・水戸・いわき方面までを直通運転します。 2015年の上野東京ライン開業により、東海道線の品川駅まで乗り入れるようになりました。

この車両の大きな特徴は、一般の普通列車用の車両でありながら、最高速度130km/hという特急列車並みの俊足を誇ることです。 これは、同時期に開業した競合路線「つくばエクスプレス」（最高速度130km/h）に対抗するための仕様でした。 安定した高速走行性能と、直流・交流区間を問わない柔軟な運用能力で、今日も常磐線の主力車両として活躍しています。

【JR西日本】683系・289系（サンダーバード・くろしお等）

関西と北陸を結ぶ大動脈で活躍するのが、特急「サンダーバード」などで使用される683系です。681系の後継車両として2001年に登場し、老朽化した485系を置き換えました。

大阪・京都などの京阪神エリア（直流1500V）から、滋賀県の湖西線を経由し、福井県・石川県の北陸エリア（交流20000V・60Hz）までを直通運転します。 681系・683系は、その高い性能と快適性で、長年にわたり北陸特急のイメージを牽引してきました。 2024年3月の北陸新幹線敦賀開業に伴い、現在は大阪〜敦賀間の運転となっています。

また、この683系から交流機器の使用を停止して直流専用に改造されたのが289系です。 主に紀伊半島方面へ向かう特急「くろしお」や、北近畿方面へ向かう「こうのとり」などで使用されており、元交直流電車というユニークな経歴を持つ車両です。

【JR九州】813系（鹿児島本線）

九州の玄関口、関門トンネルを抜けて本州と九州を結ぶ重要な役割を担っているのが、JR九州の415系や813系といった交直流電車です。

本州側の下関駅まではJR西日本の直流1500Vで電化されており、関門トンネルを抜けた先の門司駅構内から九州側は交流20000V・60Hzで電化されています。 そのため、この区間を直通する普通列車には交直流電車が必須となります。

長らく国鉄時代に製造された415系がこの任を担ってきましたが、近年ではJR九州の標準的な近郊形電車である813系にも、関門トンネル対応の交直流仕様車が登場しています。赤い車体が特徴の813系が、直流区間である下関駅まで乗り入れる姿は、本州と九州が鉄道で繋がっていることを実感させてくれます。

【私鉄】つくばエクスプレスTX-3000系

交直流電車はJRだけでなく、私鉄でも活躍しています。その代表例が、秋葉原とつくばを結ぶつくばエクスプレス（TX）です。

つくばエクスプレスは、前述の通り、茨城県石岡市にある地磁気観測所への影響を避けるため、守谷駅を境に電化方式が分かれています。秋葉原〜守谷間が直流1500V、守谷〜つくば間が交流20000V・50Hzです。

そのため、全線を直通運転する快速や区間快速などの列車には、TX-2000系や最新型のTX-3000系といった交直流電車が使用されています。 これらの車両は、守谷駅とみらい平駅の間にあるデッドセクションを通過する際に、自動で電気方式の切り替えを行います。 最新鋭の設備を備えた私鉄の通勤電車が、実は高度な交直流切り替えシステムを搭載しているという事実は、あまり知られていないかもしれません。

まとめ：交直流電車が私たちの鉄道利用を便利にしている

この記事では、直流と交流の両方の電化区間を走ることができる「交直流電車」について、その仕組みから歴史、代表的な車両までを解説してきました。

• 電車を動かす電気には「直流」と「交流」の2種類があり、それぞれにメリット・デメリットがある。
• 歴史的経緯やコスト、地理的条件などから、日本の鉄道には両方の電化方式が混在している。
• 交直流電車は、異なる電気の区間を乗り換えなしでスムーズに結び、私たちの移動を便利にするために開発された。
• 電気が流れない「デッドセクション」を通過する際に、車両側の装置で電気方式を切り替えている。
• 屋根上の大きな「碍子」や複雑な機器類が、交直流電車の外観上の大きな特徴である。

普段何気なく乗っている電車も、実は様々な技術と工夫の結晶です。もし交直流電車がなければ、私たちは今でも電化方式の境界駅で乗り換えをしなければならなかったかもしれません。異なるインフラをシームレスに結びつける交直流電車は、まさに日本の鉄道網の縁の下の力持ちと言える存在です。次に電車に乗る機会があれば、少しだけ屋根の上や車両形式に注目してみてはいかがでしょうか。そこには、私たちの快適な移動を支える技術の物語が隠されています。