回生でバス電圧が上がるのはなぜ？｜回生抵抗の役割を動く回路図で理解

シリーズ「制御回路の保護とトラブルを動く回路図で理解」第3回

前回、モーターの止め方を4つ見比べたとき、もっとも理にかなった方法に見えたのが「回生」でした。 熱で捨てずに、エネルギーを電気として電源側へ返す ── ところが記事の最後で、こうも付け加えました。 実機の電源の多くは、電気を「受け取る」方向には作られていない、と。 では、返す先のない電気はどこへ行くのでしょうか。

答えは、今回の主役であるDCバス（母線）の電圧上昇です。行き場のないエネルギーはバスのコンデンサに溜まり、 電圧はじわじわと膨らんでいきます。インバータやサーボアンプの「過電圧トリップ」、そしてカタログに並ぶ 「回生抵抗（ブレーキ抵抗）」という部品は、すべてこの現象とつながっています。 この記事では、電圧が膨らんでいく様子と、抵抗で熱に落として抑える様子を、 操作できる動く回路図とリアルタイムグラフで観察します。

この記事で分かること

よくある疑問と、答えているセクションの対応表です。

疑問	セクション
回生した電気は、最終的にどこへ行くのか？	§1
受け手が「理想の電源」なら何も起きないのか？	§2（動く図）
なぜ実機ではバス電圧が上がってしまうのか？	§3（動く図）
回生抵抗（バス側ブレーキ抵抗）はどう効くのか？	§4（動く図）
前回のブレーキ抵抗と回生抵抗は同じものなのか？	§5（動く図）
実際の機器ではどう対処されているのか？	§6 / FAQ

1. 今回の舞台 ── モーターの代わりに「注入」でバスを攻める

前回の図4では、回生の電流が「電源側へ戻っていく」ところまでを見ました。今回はカメラの向きを反転させて、 戻ってくる側＝DCバスを主役に据えます。DCバスとは、インバータやサーボアンプの内部で 各回路が共有している直流の幹線のことで、電圧を安定させるための大きなコンデンサ（バスコンデンサ）がぶら下がっています。

そのため今回の図には、モーターは登場しません。回っているモーターが返してくる回生電流を、 「48V の源＋100Ω」からの電流の注入という形に簡略化しました （惰性で回るモーターの発電をいちばん単純な形にした教材モデルです。慣性による電圧の変化などは省いています）。 こうすると「注入する側」と「受け止める側」だけの話になり、バスで何が起きるかがむき出しで見えます。

図の骨格はシリーズ共通です。縦の境界線の左が回生側（注入元）、右が DC バス側。 パネルの「ソフトY0」ボタンが注入の ON/OFF、つまり「回生が返ってきている状態」のスイッチです。 図が変わるのは、バス側の受け止め方だけです。

V1 Vbus（バス電圧）── 上がるか・頭打ちになるかを見る I1 注入電流 ── ソフトY0 が ON のとき流れる

操作まわりの共通ルールを先にまとめておきます。各図の直前にも、その図専用の手順を書いてあります。

• 図の上のパネルに「接続済み」と表示されてからボタンが押せるようになります（「シミュレータ読込中…」の間は待ってください）。
• グラフは直近の約 0.05 秒を流し続けるオシロスコープ表示です。数値は「Vbus = ○○ V」としてパネルにも出ます。
• シミュレーションは図が画面内にあるときだけ動きます。グラフが止まって見えたら、図まで戻ってください。
• 今回の図は、いちど上がったバス電圧がボタンを OFF にしても下がらないことがあります（それ自体が本題です）。やり直したいときはパネル右上の「回路を初期状態へ」で読み込み直後に戻せます。

2. 理想の受け手なら、何も起きない（図1）

最初の図は「前回の世界」の再確認です。バスの正体が理想の 24V 電圧源、 つまり、いくらでも電流を吸い込める完璧な受け手だったら、回生が返ってきても何も起きません。 以降のすべての図は、この図との対比で読みます。

返ってきた電流を理想電源がそのまま吸収するので、バス電圧はびくともしません。 前回の図4で「【V1】が電源電圧の近くで頭打ちになった」のは、受け手がこの理想電源だったからです。 ── まぁ、シミュレータの中だけの、うらやましい世界ですね。 次の図で、この受け手を実機に近い姿に置き換えます。

3. 受け取れないバスでは、電圧が膨らむ（図2）

実機の直流電源の多くは、AC からダイオードで整流して直流を作っています。ダイオードは一方通行ですから、 電源は「送り出す」ことはできても「受け取る」ことができません。 この図では、その性質を最小限の形にしました。24V 電源 → ダイオード → バスコンデンサ（470µF）という構成です。 電源はダイオード経由でバスを 24V に保てますが、バス側から電源へは戻れません。

これが「回生できる＝解決」ではない理由です。返ってきたエネルギーは電源に断られ、 バスコンデンサに溜まるしかありません。コンデンサは溜めるほど電圧が上がる部品ですから、 Vbus は注入が続く限り膨らみ続けます。

	図1（理想の受け手）	図2（実機に近いバス）
注入中の【V1】	約 24V のまま	じわじわ上昇し続ける
電流は電源へ戻るか	理想電源が吸収	ダイオードが阻止
エネルギーの行き先	電源側で回収	バスコンデンサに蓄積
注入を止めると	元のまま	上がった電圧が残る

4. 回生抵抗を入れると何が変わるか（図3）

溜まる一方なら、捨て場所を作ればいい。図2のバスに、スイッチ＋80Ω の抵抗を バスと 0V の間に追加しました。これがカタログで「回生抵抗」「ブレーキ抵抗（バス側）」と呼ばれる部品の骨格です。 余ったエネルギーを、この抵抗で熱に変えて処分します。 この図がこの記事の見所です。同じ注入に対して、抵抗の入・切でバス電圧の運命が変わるのを見比べてください。

	バスブレーキR＝切	バスブレーキR＝入
注入中の【V1】	じわじわ上昇（図2と同じ）	ほぼ 24V 付近で頭打ち
エネルギーの行き先	コンデンサに蓄積	主に抵抗の熱
実務での意味	過電圧トリップへ一直線	回生抵抗で処分して運転継続

ここでひとつ、実機との大事な違いを断っておきます。この図では抵抗の入切を人間がボタンで行いましたが、 実機では回生チョッパ（ブレーキチョッパ）と呼ばれる回路が母線電圧を監視していて、 しきい値（たとえば 24V 系なら 30V 前後、といった決めの値）を超えた瞬間だけ自動で抵抗をつなぎ、下がれば切ります。 つまり、あなたがいま指でやった「上がったら入れる・下がったら切る」を、高速で自動化したものが実物です。 やっていることの骨格は、この図のボタン操作と同じです。

5. 前回のブレーキ抵抗と回生抵抗は同じもの？（図4）

前回の FAQ で「ブレーキ抵抗と回生抵抗は同じものですか？」という質問に、 「部品は似ているが、接続場所が2通りある」と答えました。今回はそれを1枚の図で見比べます。 この図には抵抗の経路が2本あります。端子側R（150Ω）は、注入点（モーター端子に相当する場所）と 0V の間 ── つまり前回の図3「ブレーキ抵抗」と同じつなぎ方。バス側R（80Ω）は、バスと 0V の間 ── 今回の図3「回生抵抗」と同じつなぎ方です。

	端子側R（前回のブレーキ抵抗）	バス側R（今回の回生抵抗）
つなぐ場所	モーター端子間（バスの手前）	DCバスと 0V の間
仕事	エネルギーをバスへ届かせない	バスに届いた分を熱で処分
効き方の見え方	そもそも大きく上がらない	上がった分を引き下ろす
カタログでの呼び名	ブレーキ抵抗（端子間）	回生抵抗・ブレーキ抵抗（バス側）

つまり「ブレーキ抵抗と回生抵抗は同じか？」への答えはこうなります。 部品としてはどちらも電力用の抵抗器。ただし回路上の持ち場が違い、 カタログで「回生抵抗」とあれば多くはバス側を指す ── 前回は言葉で答えたことが、今回は目で確認できました。

6. 実機ではどうしているか ── 捨てる以外の選択肢まで

今回の図は「ダイオード＋コンデンサ＋抵抗」まで削った教材モデルですが、実機の対策も骨格は同じです。 現場で見かける順に並べます。

• コンデンサで受ける ── 短時間・少量の回生なら、バスコンデンサの容量だけで吸収できます。図2で「すぐには壊れない」のはこのバッファのおかげです。
• 回生抵抗＋回生チョッパで捨てる ── 図3の自動化版。もっとも一般的な対策で、サーボアンプやインバータのカタログに「回生抵抗（別売）」とあるのはこれです。
• ほかの軸に使ってもらう ── 複数のサーボアンプで DC バスを共有し、ある軸が減速で返したエネルギーを別の軸の加速に回す方式です。捨てる前に融通する、という発想です。
• 電源側へ本当に返す（電源回生） ── 回生コンバータなどで、バスのエネルギーを交流電源側へ戻す方式です。エレベーターやクレーンのように、大きなエネルギーが繰り返し返ってくる用途で採用されます。図1の「理想の受け手」を、お金を掛けて実現する選択肢と言えます。

どれを選ぶかは、返ってくるエネルギーの量と頻度、そして設備のコスト次第です。 ただ、どの方式を検討するときも判断の起点は同じで、「返ってきたエネルギーの行き先はどこか」 ── 今回の4枚の図で見た、あの質問に戻ってきます。

まとめ ── 回生の設計とは「受け止め方」の設計

• 回生は「電源に返す」で終わりではない。受け手が受け取れなければ、エネルギーはバスコンデンサに溜まり、バス電圧が上がる（§2・§3）。
• 理想の受け手ならバス電圧は動かない。実機との違いは、電源のダイオードが「戻り」を塞いでいること（§2・§3）。
• バス電圧の上昇を放置した先にあるのが、部品の耐圧と過電圧トリップ（§3）。
• 回生抵抗（バス側ブレーキ抵抗）は、上がった分を熱に変えて頭打ちにする。実機では回生チョッパが入切を自動化している（§4）。
• 前回のブレーキ抵抗（端子間）と回生抵抗（バス側）は、部品は似ていても持ち場が違う。端子側は「上げない」、バス側は「上がった分を落とす」（§5）。
• 捨てる以外にも、コンデンサで受ける・軸間で融通する・電源回生で本当に返す、という選択肢がある（§6）。

このシリーズは、第1回 「コイルの逆起電力を動く回路図で理解｜ダイオードの役割」で一瞬のサージを、 第2回 「DCモーターの止め方を動く回路図で理解｜コースト・ブレーキ・回生の違い」で運動エネルギーの行き先を扱いました。 今回はその続きとして、返ってきたエネルギーの「受け止め方」を見たことになります。

FAQ

Q1. そもそも「DCバス（母線）」とは何ですか？

A. インバータやサーボアンプの内部で、整流した直流を各回路に配る共通の幹線です。電圧を安定させるために大容量のコンデンサ（バスコンデンサ）が接続されています。回生で戻ってきたエネルギーが最初に流れ着く場所でもあり、今回の【V1】はこのバスの電圧を測っています。

Q2. なぜ普通の直流電源は回生を受け取れないのですか？

A. 多くの電源は AC をダイオードで整流して DC を作っており、ダイオードは一方通行だからです。送り出す向きにしか電流を流せないため、バス側から押し返されたエネルギーは電源の中へ入れません。図2のダイオード1本は、この性質を最小限の形にしたものです。

Q3. バス電圧が上がり続けると、実機では何が起きますか？

A. まずコンデンサやスイッチング素子の定格電圧に近づき、劣化・破損のリスクが生じます。実機はそうなる前に母線電圧の監視で「過電圧トリップ（アラーム停止）」します。減速時間を短くした途端に過電圧アラームが出る、という現象の正体はこれです。対策は減速を緩めるか、回生抵抗などで受け皿を用意するかです。

Q4. 回生抵抗の入切は、実機では誰がやっているのですか？

A. 回生チョッパ（ブレーキチョッパ）と呼ばれるスイッチ回路が自動でやっています。母線電圧がしきい値を超えると抵抗をつなぎ、下がれば切る、を高速で繰り返します。図3であなたがボタンで行った操作の自動化版です。

Q5. ブレーキ抵抗と回生抵抗は、結局同じものと考えてよいですか？

A. 部品としては同類（電力用抵抗器）ですが、接続場所が2通りあります。モーター端子間に入れるもの（第2回・図4の端子側R）と、DCバスに入れるもの（図3・図4のバス側R）です。カタログで「回生抵抗」とあれば多くはバス側を指します。役割の違いは図4でそのまま見比べられます。

Q6. 抵抗で捨てるのはもったいないのですが、回収できないのですか？

A. できます。複数軸で DC バスを共有して融通する方式や、回生コンバータで交流電源側へ戻す「電源回生」があります。ただし機器のコストが上がるため、返ってくるエネルギーの量・頻度と天秤に掛けて選ばれます。少量なら抵抗で捨てるのが最も安価で確実、というのが実務の相場です。

Q7. 今回の図は、実機とどこが違いますか？

A. 回生を「48V＋100Ω の注入」に置き換えており、実際のモーターの慣性や発電電圧の低下は再現していません。抵抗値・容量も動きが見やすい教材値です。また実機の回生チョッパは自動で高速に入切しますが、図では骨格を見るために手動ボタンにしています。原理の理解には図を、実設計の数値には機器のデータシートを使ってください。

Q8. ソフトY0 を OFF にしてもバス電圧が下がらないのは故障ですか？

A. 故障ではなく、それが図2の主題です。溜まった電荷に行き場がないため、注入を止めても電圧は残ります（実機のバスコンデンサも、電源を切ったあとしばらく高電圧が残るので放電待ち時間が指定されています）。やり直すときは「回路を初期状態へ」ボタンで読み込み直後の状態に戻してください。