車両実験所と最近の研究成果概要

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車両実験所と最近の研究成果概要

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概

日立製作所は1959年,櫨気中仙こ関する開発研究の推進を即勺として口立研究所水)￣了分室としでr帥j実験 所を開設した｡主要研究設備としては,電中等価実験装置,電動台車実験装即ゴよび電剖二1勅運転実験装置な どを有し,現申運転に近い実負荷状態において,各種の実験研究を行なうことができる｡本文にこおいてはまず これら研究設備の概要を紹介し,次に最近の研究小,シリコン+整流器式電気中巾の無電弧連続制御,向流およ び交流電車の自動運転,電気申l向の粘着特性改善などの開発研究の状況について概説する0

1.緒

口 電気鉄道は誕生以来80余年,科学技術の発達とともに長足の進 歩を遂げた(1)｡その間,f二†動車,航空株の充掛こよる影響を受ける 面もあったが,｢安全にして快適なる大量高速輸送+という比楚iな い特長のゆえに,特にわが国のように人口同市な郡市の多い国々に おいては今後とも電気鉄道が重要な交通枚関として発展することほ 疑いないものと期待される｡ 日立製作所は1910年創業以来,わが国電気鉄道の発達とともに 歩み(1),1924年にはわが国の直流1,500V幹線用国産大形電気機関 車第1号としてED15形電気機関卓を(2)(3),また1955年にはわが 国の20kV,1申,50c/s交流電気機関車第1号としてED901形交流 整流子電動機式電気機関車(4)を完成したという輝かしい歴史を有し ているが,電気車両の技術水準をさらに飛躍的に向上するため, 1959年,日立研究所水戸分室として卓両実験所(第1図)を開設し た｡以来その整備拡充につとめつつあったが,最近第1期計画分を 完成して車両実験所としての一応の形態を整えるに至った｡すなわ ち電車等価実験設備,電動台車実験設備,交流･直流車両実険用電 源設備,列車自動制御実験設傭など主要研究設備を相ついでノ己成す るとともに,研究陣容をも次掛こ拡充墟化し,これによっで各種の 交流･直流電気車両電気方式および電気装経に関する研究,自中お よび駆動方式に関する研究,列中ニロ動制御に関する研究などを,実 験室内において,現車運転に近い実負荷状態において行なうことが 可能となった｡その結果研究効率は飛躍的に向_卜し,シリコン整流 器式電気車両の無電弧連続制御,交流およびl自二流電気車両の口動運 転など,各種新方式の開発研究は著しく仙進された｡本文において ほこの機会に,当実験所の主要研究設肺および研究成果の概要につ いて略述し,読者各位のご批判を仰ぎたいと思う｡

2.主要研究設備

車両実験所を計画するに当たり,まず世界各国における電気動力 車発達の過程およびその動向(1)を調査研究し,今後の進むべき方向 を判断して,さしあたり研究の重点を下記三点におくこととしたロ (1)軽量高性能電気車両に関する研究 (2)交流車両電気方式に関する研究 (3)列車自動制御に関する研究 電気車両の開発研究においては,最終的にほ現車試験が必要であ るが,研究の段階において各種の実験を営業線上でひん繁に行なう ためにほ多くの制約があり,特に最近のように輸送量が激増して線 路容量が問題となる場合にはかなりの困難がある｡したがって当実 験所においては,上記いずれの開発研究においても,基礎研究のみ * 日立製作所日立研究所水戸分室 工博 第1l.羽 中 和 実 験 所 第2図 電車等価実験装置 ならず,現車と同様の電気的ならびに機械的全村亜を加え,現車運 転に近い状態において実験ができるよう計画した｡以上のカ針に基 づき,第1其脂十両として下記主要研究設備を訊覆した｡ 2.1電車等価実験設備 まず電車等価実験設備を設置して,)空転｢-1二1の電気申いl･iの起動･渦 動矧生および電気機一器の研究を定程状態で行ない得るようにした｡ 電中等価実験装一握(5)ほ列車重量および列車紙抗を,それぞれフライ ホイールの慣性モーメソトおよび列中拭抗発電機の負荷で肝換する ように配ir工し,これを電中川甘電動棟で駆動するようにしたもの で,最近の高速電中に相当する電申重量および速度においてこれと 等価的な試験が叶能なようになっている｡ 本装置の外観ほ第2図のとおりであって,フライホール装臥駆

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M:主 屯 動 機 B:軒 統 _一正 き瞭 Gl:小 歯 帝 MA:磁 気 増 幅 器 G2:大 歯 車 CIC2:制 御 巻 線 FW:フライホイーール _{A2:Jl流 発 電 樵} Al:列車択抗発′程機 _F2:界 磁 巻 線 TG:速 度 発 電 枚 IM:誘 三洋 電 動 機 第3図 電車等価実験装置主回路縦線松! 動装掟,列申抵抗用発電機およびブレーキ装f尺などより成っでfゴ り,列車抵抗用発電機のトルクを制御することにより,う仰†線はも ちろんこう配線における実験も可能である｡フライホールは鉄伽孤 立式であって,電申重量に応じて枚数を加減し得るようにして占) る｡策3図ほ本装置の主回路縦線図で,†白流電源Bの竜仕の大きさ および極性を制御することにより,磁気増幅器MAを通し て直流発電枚A2すなわち,列巾跳抗発電機A.の電機子電 流Ⅰを制御して列申抵抗を調整する方式である｡第4図ほ 本装躍の列車抵抗の特性で,かなf)広矧川に列巾抵抗を調 整し得ることを示している｡一三引肺尖験弓叫こ隣接しで制御計 測弓てを設け,-て引】 装f作の逆転状況を観察しながらfliU御 計測し得るようにLてある｡ 電巾制1fi実験榊桁の電淋として巾流`lLこ励光電機のほか, 特殊設計の多口約竜拡泣付Jを設‡｢'こした(.′這瀕用+ミ変圧旨黒の 電圧制御方式は高圧制御･低圧制御†J打I￣Jとし,低圧コイル は4分割し,これを切り換えてシリコソ整流器式,水銀整 流器式および交流整流子電動機式のいずれにも使用できる ようにしてある｡ 上記電車等価実険設肺および多口的電源.没術によって, 現在世界各国において行なわれている出流および50c/s商 用周波数交流方式のほとんどすべての電気申雨竜気方式に 対して等価実験が可能となった｡現在のところこのような設仰山まIlミ1 の内外を通じて未だ発表されたのを見ない｡本ii那如こよって次のよ うな各種の実験を行なうことができる｡ (1)直流･交流局中の逆転特性 (2)直流･交流電車の起動ふよび光`了-Lい川∠川り助可￣川三 (3)直流･交流電申の甘空t刑r+制助柑生 (4)シリコン整流器式電気中内のTli臓J力式 (5)水銀整流器式電気申両の制御J方式 (6)交流整流子電動機式電気車両の制御方式 (7)電気車両用主変圧器高圧制御方式 (8)電気車両用主変圧器低圧制御方式 (9)シリコン整流器および水銀整流諸賢式電気中両の撫電弧塵紙 制御方式 (10)列車自動逆転,列中1てJ助速度制御心よび定位柑･川亡 (11)直流･交流主電動枚の起動･制動時の柴流特性 (12)直流･交流主電動機の温度特性 2.2 _{電動台車実験設備} 次に電動チト申実験設肺を吼;注して,逆転小の芯勤子†小,駆勅装F′二こ および主唱動機に関する研究,粘翔￣1シ性改￣ご仁;に関する研究などを定 置状態で行なえるようにした｡電動f沖実験萎三和ま木設仰の主体を 節45巻 第4号 十2J%｡ 十/〟%(, 4β ハ〃 (〃 (‖レ (ぐよ三 宅 悠 磐 倒 ｢一心 ー∠β -し和 一イロ ノ〟 4β 占､β ーーーー一 三十王き頒 --→=-･-･実測l由 β%｡(年娼綿) 等価実験装置の綴瑞損失 -/♂%｡ ￣/♂β /Z♂ 列車速度レ(々叫り -ZJ%∂ 〟r編成 仙=J占､と 叫二しブ2亡 ⊥ =4β仰 訪了4川 _{一心･l土制州りご駿与ヒ;ご亡の列小二抵抗特性} 第5国 電 動 台 小 ソニ 験 装 置 なすもので,その外鮎ほ舞5図に示すとこねりであるで本装匠ほ連結 柵こよって迦品【言さJtた3軸の軌条輪,駆動用石動横,動力吸収用発 iに機,けん引ノJ測定装f吼 _{つかみ矧削ざよびブレーキ装匠を主体と} し,ノガ妹子r小訓れ粂･陥の上に概せて電気的ならびに機械的に実負荷 をかけて捌転するエうにしたもので,軌ドiJl,000-1,067-1,435mm, 1州t仙川600kWの2!肘ごよび3軸内巾を,払烏速度250km/h でjリ転することができ,また帖心軌条輪で使川して振動状態での実 験をも行なうことができる｡この装掛まさきに日立製作所亀有工場 で製作し,国鉄技術研究所へ納入した車両試験台(6)とともに国内屈 指の台車研究設備であるが,特に本装置は,2軸のみならず,3軸 台車の研究もできるようにしたこと,動力吸収装置を電気式とし, 劫ノJ吸収発電機と駆動屯動機とを共用にしたこと,保′､f点検が容易 な隅如こしたこと,および直流中内のほか,各種交流車両の実験も 行なえるようにしたこと,さらに電中等伽実験装置と電気的に接続 することによって列車抵抗を加減し得ることなどの諸点において大 なる特長があり,1_と七界的にも類例のないものと考える｡台車実験室 においてもこれと昆削左して制御計測宅をう掛ナ,電動台車実験装置の 丈別転状況判子に祝しながら湖御計測できるようiこなっている｡ 木装丁･ワ仁のTE帆よ前述の電申乍別1日実験設肺とプリ口にLてある｡上記

冠刺子∼巾ノミ験設帆謁咋制I行実験設僻および多口約電源設肺を併用

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657 することにより,l自二流および50c/sl浅川1開披数交流プJ式のほとんと すべての方式に対し,次のよ る｡ (1) (2) (3) (4) (5) (6) うな各種の実験を子Jなうことができ 什小の振動叶抑1三 什･いこの助的止こソノ fr巾の)ヒ行爪杭 f子中の性は 子‡巾の粘ノ打=1性およびニノ:ウ転検知 TE汎主電動機,f㌻小 伽舶㌧Jlリけ∴1二び川御与抑を総付し た芳一けテ特性政吉 〕1朗馴■の駆動装rr7亡の柑壮

走行小の振励が]二`丁に動機燃舶こ及ばす;i吉子苧ゞ

一一盲動千川j三輪装;-【′rたと廿卜刊‖雌験斗ヒJlr･■√二との仰IHこよる批小 弟別亘;にi吐いニl人掛こ二l′汁ユーる列小二川肌維三ニトよび終朽脚い州 動制御 福助ナナ巾′文駿矧祥の付属斗ヒil■･■ほして,粘オ′∼こ話-〔除機(第る図)心よ び駆動矧F己ふし験機(第7図)をi￣即亡した∩淋占･ほ種々のilil糀,速虻, 接触面の状態に対する静的ならびに動的半ば㌻係数および?E転柑ナは どの基礎研究用として設置したもので,最大帥虞5t,叔高速度 40km/h,動輪および軌条輸出径500mm,駆動電動機および劫プ+吸 収発電枚ほそれぞれ25kW,石室併用制動式である｡後者は駆動装 位のはか,歯申のかみあい,歯中箱内の油の挙動などの研究†1￣ほし て設置したもので,駆動電動機および効力吸収川舟￣に機ほともに 100kWである｡ 2.3 _{列車自動制御実験設備} 前述の電巾等柵実験設伽盲よぴ↓￣に勅f-†小り三輪榊J綻机ち介わせ, 列巾l'l勅制御に｢業ける各種のプj快を行なうた桝こ,1′l払出蛤+湖六■貨 郁と信一シ川fE源設仙とを即一亡した〔71て休となる州=′1王恥胡転倒約ヒ rどょ(HITATO-101)は,さん孔テープノ(小_トプログラムソノノ(であっ 第6図 材i 着 試 験 機 節7河 馬匡勅 斗ヒJ一て1試験 機 て,列中の走行位抑こおける速度および時間を,それぞれの基準値 と比較して自動制御し,所定の運転ダイヤどおりに駅間日動運転や 止ト〉二hて仰いせ7￣fなうもので,地_L信一号に連動して自動速度制限を行 なうこともできる｡第8図はIiITATO-101の外観を示す｡伝･け‖1 √抑8披うに抑としてほ,400c/s∼60kc/sの百抑∃拡充屯機およびトラ ソジスタ発振講詮など朋屯屯iJ上;く矧F一枚丁捌i了ルてある｡ 列附t勅糊御の実験ほ,竹通は上記の=勅運転実験設仰と,前記 の屯･-い二′別‖は験ぷ川riとを机ち介わせて行なうのであるが,必要な場 付こほさらに前述のう￣E励f∼小文験暮馴ほ併川することにより,動輪 のソト転,列州ヒ机の変化,払励などを考慮に入れて,現中道転に近 い状態において,祁甜川り〕動制御の実験を行なうことができる｡ これも当父験仰の大きな和良の一つである｡これらの実験設肺によ って=r哨己心よび王立統一副如こ刈▲し次の【tうな祁前の実験￣む子_Jなうこと がでキる｡ (1)‥=ニプログラムむこよる駅r了_Tけ働)妙転 (2)地+二†ご￣てり一に拒助したlTl軌油煙Tl一個ヰ (3)ぷ位】l仁一･二=l一生 (4)列巾自動付止 (5)電坐併用ブレーキの自動制御 (6)地_ヒプログラムによる駅間自動運転 (7)給電線を利用した連続式列車自動制御 (8)移動閉そ く

3,主要研究成果

巾【柁験所は【プ附貸せられて以来日はなお浅いが,関係工場の魅力 ∵州てうにこぺも小向のIi附己研ノ先を新力に批進し,多くの托｢けべき成果 なふげることができた.(比lこJIユニ正におH-るこじ繋研究の二,三につい て札舶する∩ 3.1可飽和リアクトルによるシリコン整流器式電気車両の無電 弧連続制御方式の研究 交流小向の胴御方式としては古くから高J干珊J御･低口三制御の両方 式がテナなわれてきたが(l),そJtぞれ一長一･短がある｡すなわち高托 制抑こ二机､てほ,て】iり御段数を多くとることができるが,電圧変動率 が人きく,抑こ絶紗こ一泊L′て種々l;り越があり,一プ7低rE糊御におい ては,′心F竣勅ヰミは小さいが丁脚l個数が少なく,柑こ大電流開閉に ∂′ 驚喜や燐w御免凝 聯

転写

挺当 打‡8回 さん孔テープユー〔列-･附1勅運転つご験斗≡陀 HIl､A′I､0-101

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レん レん ん/ ん J〟;Jβ♂月一定 ん2 ∬･∬ 〃 β イッチがほいり,MAlほ非飽机MA2は飽和となって _タップ いるので,主電動機Mにほ電流は流れない｡カム軸が 回転するとMAlほ飽机MA2ほ非飽和となり,Slよ りMAlを通じて主電動椀に環流が供給される｡この β /♂β ∬･∬ 伽･β ∬･甜 /♂β % % β･〃 ∬･∬ 〃.β 甜･∬ (＼∪ 〔＼J ∩＼U .!′ ∫J ∫5 第11図 制御電流比率とタップ電流および電動機電忙との関係 位掛こおいてSoが切れS2が入るが,MA2ほ非飽和であるからほと んど電流は流れない｡さらにカム軸が回転するとMAlは非飽札 MA2ほ飽和となって,MAlの電流はMA2に移行し,主電動機電流 はほとんどすべてS2-MA2を通じて供給されることとなり,Sl-MAlにほわずかな励磁電流が流れるのみである｡この状態でSlが 開くので,Slほほとんど電流を切ることはなく,無電孤切換が行な われる｡以下同様にしてS3入S2切,Sヰ入S3切と進み,S8に至っ で七電動機に最高電圧が加えられる｡以上ほノッチ進めの場合であ るが,ノッチ戻しの場合も同様である｡このようにして無電弧連続 制御が行なわれる｡

弟】0図ほ700V,5タップの主変化器と,200V,500Aの可飽

和リアクトルを用いて実験した場合の電圧電流特性で,主電動機最 大電流を等アンペア･ターソ電流以下に設定しておけば,制御電流 比率を連続的に変化することにより,電動戦端子電圧を連続的に制 御し得ること,および電圧変動率が小さく,特に低ノッチにおける

電圧降下は従来の高圧制御方式に比して著しく小であり,粘着特性

改善に有利なことを示している｡また同時に等アンペア･ターン電 流以上の過負荷電流に対しては,可飽和リアクトルが電流制限作用 を有しており,この加こおいてもシリコン整流器式電気車両に好適 なことを示している(弟11図は制御電流比率とタップ電流,電動

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…慧一喜=__磨￣喜喜■喜一こ

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転￣_ ､養､乾￣￣■ 椎蔓衰残-￣=-￣-_避雷讃 l 第14図 発 電 制 動 オ シ ロ グ ラ _ム 機電圧の関係を示す実験紙果で,タップ電流がほとんど不の状態 で,すなわち無電弧でタップ抑)換えが行なわjtていること,およ び主電動機端イ▲電圧が辿統他に制御されていることをホしている｡ また発電制動を採川する場合には,第12図のように,起動時に 使用した可飽和リアクトルMAl,MA2を大容量磁気増幅器として 使用し,これによって主電動棟の界磁を励磁して制動力一定の自動 制御(5)を行なうことも可能である｡ 上述の無電弧連続制御ノブ式を採用した電動機操作式カム軸制御 器を試作し,100kW,375V,300A,1,300rpmの主電動機および前 述の電車等価実験装匠を使口]して起動二‡Jよび充電制動試験を行なっ た場合のオシログラムを舞13囲および舞14図に示す｡起動時にお いてほ,前段磁気増幅器PMAl,PMA2の制御電流を無接点限流継 電器PPMAとカム軸制御器とによって制訊ル,:L′fE動機を停1卜状 態から定格速度まで一定起動電流で自動加速した｡切換時のタップ 電流ほオシログラムに示すように3A以卜で,確実に無電弧タップ 切り換えが行なわれている､Jまた制動時にこわいてほ,3,000rpllユから 800rpmまで自動制御によF)設定伯どこわりの-▲定制動トルクで減速 することができた｡舞14図は設定値を急変した場合のオシログラ ムで,制動電流は1秒以内で安定に射ヒしている｡ なお起動時,動輪が空転した場合は,弟 9図のように磁気増幅器maおよぴPPMA により主電動機の電機子電圧の上昇を抑止 するように自動制御して空転速度を微小空 転の範囲に制限し,確実に再粘着させるこ とによって,さらに粘着特性を改善するこ とができる｡これについては後述する｡ 上述のように木方式を採用することによ り,シリコン電気機関車および電車の無電 弧連続制御が可能となり,優秀な起動およ び制動特性をうるとともに,保守費の減少 を期待することができる｡ 3.2 _{車上プログラム式列車自動運転方} 式の研究 列申自動制御は1923年アメリカにおい て連続誘導式が開発されて以来,主として 地上信引こ連動した速度制御装置,すなわ ちATC装置として発達したが,1950年以 降運転の安全性のみならず,輸送効率の向 上を目的とした自動運転方式(10)(11)の研究 が行なわれるようになった｡しかるに列車 自動運転においては,電車線電圧の変動, 気象および荷重の変化など運転条件が絶え ず変動するにもかかわらず,列車ダイヤど おりの定時運転が要求され,一方電気鉄道 特有のサージ電圧,振動にも十分耐える高 信板性のものとする必要があるので,現在 のところ世界的にもまだ研究の段階で,実 用されるに至っていないようである｡ 日立聾望作所日立研究所車両実験所におい てほ,簡単確実で信板性が高いことに重点 をおいて,1960年から磁気増幅器式速度比 較方式を採用した新しい方式(12)の開発研 究を推進し,定位置停車を含むテープ式車 上プログラム自動運転方式(13)(14)(15)を開発 し,電車等価実験装置による実験に成功し た∩ 策15図は磁気増幅器速度比較式列車自動制御方式の原理を示す ものであって,基準速度電圧と列車速度電圧とを,跳躍特性をもっ た磁気増幅器によって比較し,自動制御する方式である｡磁気増幅 器MAl,MA2の特性ほ弟1d図のように調整されている｡それゆえ 列車速度が基準速度より低いときは,MAl,MA2の制御電流Ⅰ｡はⅠ｡2 より大となり,MAl,MA2ほともに出力を出すので,継電器Dl,D2 はともに励磁され列中古･ま力行する｡列中速度が上昇するとⅠ｡ほ減少 β. β2

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ββ 用 T乱:さん孔チ ー プ T:列 車 R:車内信号受信装置 _{PG:速 度 発 電 枚} RS:基準速度発生装匠 _{S:伝 達 部} MA:速度比較磁支も増幅器 _{C:時 計} MC:王 _{制 御 器 D:検 出 邪} B:制 動 装 置 DG:地 上 _検 出 部 第17図 列車自動運転実験装置HITATOllOl構成図 し,Ic2に達するとMA2の出力はほとんど零となり,Dlは消 磁され列申は惰行する｡ある速度まで減速するとⅠ｡は増大し 再び力行となる｡惰行のとき列車速度が基準速度に比して高 くなると,Ⅰ｡は減少してⅠ｡1に達し,MAl,MA2の出力ほと もに零となり,Dl,D2ともに椚磁されて制動がかかる｡ 弟17図ほ運輸省の試験研究補助金を得て試作したさん孔 テープ式列車自動運転実験装置HITATO-101の偶成図で, 上述の磁気増幅器速度比較方式が採用されている｡基準速度 ほさん孔テープにより,制限速度は中内信号によって与えら れる｡信号現示が進行の際は,テープ指令どおりの自動運転 を行ない,定位置停車の指令によってあらかじめ設定された 減速曲線に従い発電制動および空気制動が日動制御せられて 減速し,定位置に停車する｡ テープリーダの駆動軸ほシンクロ送受信機を介して車軸か ｢ J ー7 め ｢′わ ｢rト

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車 停 … 備 付 ｢さ暮山指`トヤ▲∼ 竹妙‡ 七郎凍漂戊 第18図 直流電車の自動運転オシログラム (a)進 行 信 号 (c)停 止 信 号 (b)注 意 信 号 (d)絶対停止信号 ら回転されるようになっているが,申輪径の誤差や申輸の空 転などによって生ずるテープ送りの誤差を補正する必要があ る｡このため閉そく区間の入口である時間テープ送りを停止し,そ の時間内において距離を補正する方式の距離補正装跨を開発した｡ また電車線電圧の変動,気象および荷重の変化など運転条什の変化 のため,時間的にプログラムからほずれることがあるので,プログ ラムによる列申走行予定時間と時計による実際の経過時間とを比較 し,その差の大小によって基準速度を加減して列中速度を調解する 方式の時間補正装匠を開発した｡ 3･2･1直流電車の自動運転 上記試作装置を電車等価実験装置と組み合わせて,駅間距離 1km,最高速度65km/h,加減速度3km/h/sとして列中∩動運 転の実験を行なった｡弟18図はそのオシログラムの一例である｡ 発車の押ボタンを押すと,さん孔テープから50km/hの基準速 度の指令が与えられ,列車は加速して50km/hに達した後,50一､ 49km/hの間において力行,惰行を反覆し,列中速度がはぼ50km/ h一定に保持さjtている｡列申が駅に近づいてテープから定位綻 停車の指令を受けると,基準速度は予定の制動曲線に沿って次第 第19図 _{磁気変調器振幅変調‡1リブ波形} に低下し,電気ブレーキ,ついで空気ブレーキの自動制御が行な われ,定位掛こ停車する(15)｡空気ブレーキの日動制御にはかなり 苦心したのであるが,停車位置のバラツキは±0.5m以内で,良 好な成績を修めることができた｡ このオシログラムは運転｢｢-信号現示が進行信号の場合である が,もし信号現示がたとえば注意信号に変わると,それに相当し た速腔まで日動的にブレーキがかかり速度が制限される｡すなわ ちいかなる場合においても信号現示が使先し,その許容速度範田 内に二机､て日動プログラム運転が行なわれるようになっている｡ 中内信号方式としてほ,軌道に信号電流を送りこれを車上で受 信するいわゆる連続誘導式が多く使用せられているが,われわれ ほその送信機として磁気変調器を使用する方式(16)を開発した｡ 木器ほ搬送周波電拡ミを交流電源とし,変調周波電源を制御電流と した可飽和リアクトルであるから信鮒生はきわめて高く,1種類 の変調周波電源により合計4種煩の信号を得ることができる｡弟 柑図はこの送信機の出力波形を示すものである｡

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第20図 無電孤辿続制御式シリコン電中の日動運転オシログラム 3.2.2 無電弧連続制御方式を採用した交流電車の自動運転 前述の無電弧連続制御を採用したシリコン整流語注式交肘掛卜に 対しても同様に日勤運転方式を適用することができる｡これによ って主変圧器低圧タップ切換川のスイッチのみならず,晰流器も 微小電流を遮断するのみとなり,主接触了･の電弓如こよる損傷ほど しく減少するので,伽1如こ手数を要することの少ない口動逆転方 式を得ることができる｡ 弟20国は電小一て糾1ホ実験装抑こよる無電弧連続了Ii雌〃シリコン整 流器式電車の自動運転のオシログラムの一例である｡50km/hの 基準速度が与えられると無電弧連続制御によって｢1動起動し,速 度が上昇して基準速度に達するとノッチ戻しが行なわれ,速度が やや低下すると再びノッチが進み,これを反挺して速比ははば 50km/h一定に休符されている〔この間タップ切り換えおよび主 回路遮断はすべてほとんど無電弧に近い小電流で行なわれてい る｡制動の指令が与えられると]叫1路ほ磁気増幅器励磁式発電制 動に切り換えられて減速する｡足付二脚字中に関しては由流電申の 場合と同様である｡ 3.3 _{電気車両の粘着特性改善の研究} 電気車両の性能において粘イ引`川ミは頻繁なものの一つであって, 特に最近の軽量高性値′左気機関小のL+ざまい､_発泡よ粘柑生能の発 達と見ることもできる(1)｡すなわち発達の初j削1900年頃における 電気機関車比重量(口重を連続定格で除したもの)は80kg/HP以上 もあったものが,技術の進歩に伴い次第に低下して1960年頃には 20kg/HP程度となった｡したがってこの間粘着性能の改善,すな わちいかにすれば軽いlた1垂において大なるけん引力を発生させるこ とができるかについて早くから研究が行なわれ,1930年頃にほ早く も欧州において空気式柵垂移動祁慣方式,続いてFein reglerなど

の多段式制御方式による怒気式粘着特性改善方式が出耳ょした｡1950

年以降になって歯申連結駆動方式を採用した1台車電動機式(17)な どの枚械的改善方式も開発されたが,特に自動制御の発達に伴い電 気式に大なる進歩が見られたのである∩また高速乍E弔においても, 最近はM-T編脚こ対しても高加減速度が要求されるたぎ〕粘着特性 が問題となって,各種の多段了別御方式(18)が行なわれるに守り,さら に優秀な方式の｢1-i現が待望されている｡ 脚 仙 川 ∽ (ヨ〕 意 撃 柵 謀 ハ=U 一ソム (仇 ■ヰ 軸 重 ‥ _人7亡 †隻触酎失態 二 乾燥 抽 -･ゝ. 粘′けか ♂ J _/β /古 2(7 ZJ 列車速度(軌条輸送度)>(加れ) 第21図 粘着試験機による列車速度(軌条輪速度) 一札盾係数特性実験結果 かかる現状にかんがみ,わが国においても最近粘着年制生改善の研 究が各方面において採り上げられるに至った(19)(20)(21)｡当実験所に おいてほ粘着現象に関する基礎研究のみならず,電気機関車および

高速電卓用電動台車を含む実用楼による粘着特性改善の研究を強力

に推進しつつある｡ 3.3.1粘着試験棟による基礎研究

粘着性能の改善をはかるためには,まず基礎研究として粘着現

象,特に微小空転より大空転への発腱過程および再粘着の棟構に っいて研究することの必要なことほいうまでもない｡当実験所に

おいてはこれらの目的に対し,まず粘着試験棟を設吊して基礎実

験を開始した｡ 第21図ほ仙南1.7t,接触面乾燥状態,速度0∼17km/1一にお ける列中速度(軌条輪速度)と粘着係数との関係を示す実験紆果

662 _{昭和38年4月} a4β aJJ αJ(フ ∽ ∽ 川 叩 ∽ (ミ) 姦堕軽敬扁

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_{論 第45巻 第4号} 第24図 電動台車実験装置によるED71形電気機関車用 DTl14A形台車の粘着特性実験状況 形水銀整流器式校閲単に対して,主電動機電機子電圧を一定に制 御する電圧制御装置によって空転速度を微小空転に制限する方 式(20)(21)を開発し,好結果を収めた｡今回この構想を発展させ て,シリコン整流器式機関車に対して好適な方式の開発研究を行 ない,前述の無電弧連続制御方式にAVRを付加した方式を適用 することによって,これまた優秀な成巣を収めうる見透しを得 た｡ 無電弧連続制御方式ほ前述のように,特に起動低速時,すなわ ち低タップにおける電圧変動率が小さく,同時に主電動機端子電 兜動輪速度lん(41甥畑) 空転連夜み与(彪吻) 発動常勤低電流ム(月) 仰⇒机 第23図 粘着試験棟による空転特性オシログラム の一例で,Curtius･Kni刑er,国鉄運転局によって与えられた実験 式に比較的よく一致している｡軌条輪ほ専用の電動発電機を電淑 とする他励電動機によって,各列中速度に対して定速運転するよ うにし,動輪ほ直巻電動機によって駆動され,その回転力を次節 に増大して空転を生ぜしめたものである｡ また第22図は低速時0∼5km/hにおいて,空転速度0∼ 25km/hとした場合の空転速度と動摩擦係数との関佑を示す実験 結果である｡ 第23図ほ運転時において,微小空転より大空転に発展する過 程を示すオシログラムの一例である｡すなわち約10km/hにて 運転中動輪駆動電動機の電流を次至削こ高め回転力を増大すると微 小空転が次第に増大し,空転速度が約1km/hに達するまでは主 電動機電流すなわち引張力ほ次第に増大するが,空転速度が約 1km/b以上になると引張力が減少し始める｡この臨界空転速度 ともいうべき引張力の減少し始める速度は個々の場合において相 異するものと思われるが,いずれにしても粘着性能向上のために は,空転速度を微小空転の範囲内に止むべきことを示している｡ 3･3･2 _{シリコン整流器式電気機関車の粘着特性改善方式} 整流器式機関車において主電動僚を並列接続してこれを電圧恥J 御することにより,粘着特性改善に有利な,速度変化に対する引 張力変化の大なる速度一引張力特性が得られることは周知である が,われわれはその性能をさらに改善するために,さきにED71 軌条鎗遠慮打(々棚)

如

性を, ふじ (1) (2) (3) 圧を連続的に制御し得るために,空転時再 粘着に対してきわめて有利であるという大 きな特長を右しているが,さらにこれに AVRを併用して空転時可飽和リアクトル を制御して,主電動機端子電圧の上昇を抑 制することにより,確実に自動的に再粘着 せしめることが可能となFフ,粘着特性を著 しく向上することができた｡ 以下低陀タップ切換無電瓜連統制御方式 と高旺タップ切換制御方式とによる空転特 用一条什で比較した実験紙児について述べる｡ 験 条 件 供式台卓 実験設肺 軸 重 (4)主電動機 (5)`i-E源機器 ED71形電気機関車用DTl14A台車 日立研究所車内実験所電動台車実験設備 約8t l≠子分滋大電流 約850A l,0001(VA高圧制御･低圧制御両用変圧 器 300kWシリコン整流器 3.4mti,510A平滑リアクトル 200V,500A可飽和リアクトル 第24図は粘着特性実験状況を示すもので,ED71用DTl14A 台申を前述の電動台申実験装捌こ載せ,高圧制御･低圧制御両用 の多目的変圧器と,シリコン整流器を電源とし,軌条輪をロック して主電動機電流を次第に増大して空転を生ぜしめ,空転時の主 電動機電流,端子電圧,速度を記録した｡この場合,空転による 軌条輪の損傷を最小限度に虹めるため軸重は約8tとして実験し た丁 第25図は帆H頚染電弧連続制御(等仰電圧降下率6%)の場合の 動輪の窄転速度および主電動磯電流を示すオシログラムの一例で ある｡空転発生時,主電動楼端十電圧が上昇しようとすると,前 述の第12図に示した磁気増幅器maがただちに前段磁気増幅器

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663 第25図 低圧無電弧連続制御による粘着特性 亘 ･_町雨ヱ竺竺竺響き踪頭己萱⊇三三 __群■托責苛敷藤野ノ庄 j 鳶ヒ誉ぢ蒙､ _=-を￣ 室琴碓､窒発動￣壊電題 ･茸________ 第26図 高圧制御による粘着特性 r･一空転開始 〃.♂ j.J エβ 2.J 尺 Z.β 甥 蒜/･古 /.β 瓜j β 軸 重:β王 列車逐度 こ β加れ 日毒 間:1==±r d2秒 高圧制御 低圧無電弧連続制御 (月レ尺イ寸)

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ノ･ソテオフ P 2 4 J β /β 空 転 速度(んγ1) 第27図 電動台車実験装置による空転速度一引張力 特性実験結果 PMAl,PMA2の出力を減少し,工電動楼の電圧上昇を抑止する ので,2秒以内に完全に再粘着し,最大空転速度ほ3km/b程度 以下に制限されている｡この際ノッチを放置しておくと小空転と 再粘着とを自動的に反覆した｡これに対し高圧制御(電圧降下率 24%)の場合のオシログラムほ第2る図のとおりで,制御段ごと の電圧上昇を20Vとしても,空転速度ほ2秒以内に約8km/hに 増大し,さらに漸増する傾向を示したので電源を遮断した｡ 弟27図ほ空転試験の結果より,引張力と空転速度との関係を 求め,これを曲線に描いたもので,低圧無電弧連続制御の場合は 閉ループを描き収れんしているが,高圧制御の場合ほ発散してい る｡ 以上の実験により,低圧無電弧連続制御方式は,シリコソ整流 器式電気機関車の粘着特性改善にきわめて優秀な性能を有するこ とが知られた｡なお近く現車試験によってさらにこの実験結果を 確認したいと考えている｡

4.結

口 以上日立製作所日立研究所車両実験所の概要と,最近における 二,三の主要研究成果について述べた○わが国の車両工業は最近急 速な発展を遂げ,特に電気車両およびディーゼル車両など,動力車 の輸出が次第に活況を望してきたことはまことに喜ばしいことであ る｡しかしこれに対する欧米各国の攻勢も次第に活発となりつつあ

り,今後の輸出ほ楽観を許さない状勢にある｡これに対処するため

には,輸出促進政策ももちろん必要であるが,さらに重要なことは 研究開発によって独特の技術を確立し,国際競争力を強化すること である｡われわれの車両実験所はこの目的に対して貢献し得ること を確信し,今後とも各種の電気車両所方式の開発研究を強力に推進 したいものと念願している｡終わりに臨み,日立製作所目立研究所 車両実験所の完成に対して与えられた日立製作所本社ならびに関係 事業所各位の絶大なるご支援,ご協力に対して厚くお礼申しあげる とともに,各種の開発研究を推進した車両実験所の小野田博士をは じめとする研究グループ諸君の労を多とする次第である｡ 1 2 3 4 5 6 7 (8) (9) 10 11 12 (13) (14) (15) 6 7 8 9 0 1 ‥u.匂 n∴uハいほほ 参 芳 文 献 平田:日立評論,40,1329(昭33-11) 馬場:日立評論,8,53(大13-2) 三井田:日立評論,7,438(大13-10) 山崎,河合ほか:日立評論別-20,4(昭32) 平田,坪井:日立評論,44,617(昭37-4) 一:日立評論,42,155(昭35-1) 坪井:電気学会昭和36年東京支部大会,講演番号306(昭 36) 坪井,平田:電気学会昭和37年電気四学会連合大会,講演 番号739(昭37) 坪井‥ 電気学会昭和37年東京支部大会,講演番号324(昭 37) 和田,飛永ほか:日立評論別一39,67(昭36) 竹村,刈谷ほか:日立評論別-40,99(昭36) 木協,小野田ほか:電気学会昭和36年電気四学会連合大会 講演番号734(昭36) 小野田,LLl崎:電気学会昭和36年東京支部大会,講演番号 293(昭36) 木脇,小野田:電気学会昭和36年東京支部大会,講演番号 292(昭36) 木脇:電気学会昭和37年電気四学会連合大会,講演番号 760(昭37) 小野田:電気学会昭和37年電気四学会連合大会,講演番号 758(昭37) 森扱 高橋:日立評論,39(昭32-12) 古山,今泉ほか:日立評論別-40,83(昭36) 関,関川:電学誌,80,606(昭35-5) 小野田:日立評論,43,749(昭36【6) 小野田,杉本ほか:日立評論,43,2176(昭36-12)