∪.D.C.る21.318.5る:る21.337.4
新
形
磁
気
無
接
点
継
電
器
New Type Magnetic
Contact-1ess
Relay木
脇
久
勝*
HisalくatSu Kiwaki内
容
梗
概
磁気式l+劫列車制御巷抑この論理一曲素とLてト1､-梢竺作所でほ外部九l‡還形磁気無桜山継電器を川いる方式を開発 Lたが,従米川いられてきた外部小こ1‡還形磁気知接点継電器ほ∠与荷によって跳躍特性が大幅に変動するという欠 点があった〔そこでこjtに簡上盲tな補任ひ-1路を付加することにより,負荷の他にかかわらず安定Lた跳躍特性を イーj■する新形磁㌔も無接ノ∴ミ継′別語む開発L,す糊ど二†ゴりのきわめで左足な特性を得ることができた｡ 1.緒 口 磁気式自助列車制御装置の原理￣くン弟1図に,また卜勺矧割こ川い〔ノ れる磁左撫接点継電器(以￣卜,MAl,MA2と称する)の特性を舞 2図に示す｡その動作原理を簡榊こ述べると1占準速度電圧に対して 列車速度電圧が十分に低い場合には,MAl,MA2の制御巻線に大 きな制御電流が流れてMAl,MA2はともに出力を出し,継電器 Dl,D2がともに励磁されて力行の指令を与える｡列車速度が次第に 上昇するとついにMA2の出力ほほとんど宥となってD2は無励磁 となり惰行の指令を与える｡さらに列車速度が上昇するとついに Dlも無励磁となって制動の指令を与える｡このようにして列中速度 はほぼ基準速度に等しい値に保たれることになるから基準速度を市 内信号に連動して与えると自動列車制御装置を,また基準速度をプ ログラムとして与えると列車自動運転装置を実現することができ る｡ さて,基準速度発生部に抵抗器を用いポテンショメータを構成す る方式でほ抵抗器のしゅう動部またほリレーの接点を必要とするた め信煩性,耐久性の点で好ましくない｡われわれはそのため第3図 に示すような外部帰還形磁気無援ノ､て(継電器を用いた無接点式基準速 度発生装置を立案した｡しかるに第3図の阿路では磁気無接点継一言E 器の負荷ほ列車速度を与えるPGの発生電圧によって大幅に変化することになり彼述のように無駄烹継電器の跳躍特性が変動し安定し
たOn-0任作用を期待できない｡実際の列巾運転においては基準速 度と列車速度の差に関係なく,すなわち無接点継電器の負榔こ関係 なく確実にOn-0庁作用が行なわれる必要がある｡ そこで,われわれは従来の外部り応還形磁気無接点継電器の出力電 圧を補償巻線と補償抵抗よりなる補慌回路により正帰還することに よって負荷に無関係に確実なon-0庁作用を行なわせうる新しい磁 気無接点継電器の開発研究を行なったのでこれについて述べる｡2.外部帰還形磁気増幅器の原理
外部帰還形磁気増幅割こおいて喘還巻線を使用しない似合,肋磁電流まで考慮すると,次の等アソペアターンの法則が成ユ上する｡
几ム=凡ム＋凡ム0 (ん≧ム｡)… …‥.(1) ここに ∧㌔:交流巻線巻数 ム:交流電流の一方向半波平均値 ∧㌔:制御巻線巻数 ム:制 御 電 流 ムu:ム=0における交流態流の一刀向半披ヤ均伯 交流電流を全波整流して帰還巻線により正帰還すると,(1)式ほ 次のようになる｡ 凡ム=几ム＋Ⅳ/ん＋∧㌔ム｡(ム>1川). ‖(2) 口立製作所口立研究所水デリナ宝作
旦
ーh仏 列確漣特電圧 ､桝 〃て 車輪@
第1図 磁気式自動列車制御装置の原理 イニJ J+ ノ糾/ J〟∠ノ 〃 制キ別人力 第2図 磁気無接点継電器の特性 β′ 〟4/ 〟.月ヱ βごヨコ｢1
基準速度の指令 ここに ん 〔心 ふ β♂ Jl/へ′エ≠:磁気無様兵継電芸 才‡3凶 無接点式基準速度発生巻き洪 仰還巻線に流れる電流(=負荷電流) 整流器には一般に逆流があるのでんは次のようにかける｡ ん=ゐム (ゐ<1) ‥(3) (3)式を(2)式に代人してムとんの関係を求めると, ん= 1 北上･＋〃αムー,妄￣(1+-ゐ￡′-)
丸
(ん三三ゐん0) ‥(4) となり,んの滋小値ゐム0を与える制御電流エ0ほ(4)式において, ん=鳥ん0 とぉいて√′･｡について解くと次のようになる｡) ーーーー21¶620
昭和38年4月
⊥ ⊥ム∫co=告(ゑ2-1)ム0一昔点3ん…
･･(5) そして,一驚L=1
の場合ほ,制御電流を増加させてゆくとJ｡｡に等しくなった点で, んは跳躍的に増大して最大負荷電流に等しくなる｡ さらに,貨>1
の場合ほ,制御電流がム｡に等しくなるといま跳躍的に増大して最 大負荷電流に等しくなるが,制御電流を逆に減少させてゆくと√･｡ ではなく(4)式で ん=ん〝l(最大負荷電流) とおいて,ムについて解いた値,すなわち,ん=告ゐ(ト焙)ん”一昔ム0･
‥･･(6) に等しくなった点で,んは跳躍他に減少する｡すなわち, ムム=ム0-ム1=一昔ん如(若い者′dO)ゐ2一昔ム0が
..(7) なる幅をもったヒステリシス特性を示す｡. 一般に,ル≒凡,ん〟J≫ム｡であるから(7)i〔は,ムゐ=告純一几)丘･‥
となる｡ただし,ん〝.ほ次の式で与えられる｡ ん川= 且 ro＋月 ‖(8) ‥(9) ここに E‥ 交流電源電圧の全波整流平均値(=交流電圧実効 伯×2ノラ￣ノ汀) γ0 そこで, 磁気増幅器の内部抵抗(交流電源の内部抵抗を含 む) 月:負 荷 あt 抗些-=乃′
∧㌔ とおき,(9),(10)式を(8)式に代人すると,几ん=-一語-(ゑ符ノーー1)点…
..(10) 次の結果をうる｡ ‥(11) 次に,如まどのような形で去わさj￣しるかを整流器の凶路から検討 してみる｡如よ整流器の交流人ノJ電流一方向半波平均値に対する肘 還巻線を流れる電流の比であるから,整流器が一定の順方向抵抗 γ5,一定の逆力向抗抗γ占をもっているものとすると, 等価｢d路が得られる｡一般に, r5≪月およびγふ であるから,整流器の順方向に対するb一路抵抗β5は, 尺,≒ガ 逆方向に対する回路抵抗尺月は, 月β≒ヱム_ 2 となり,ゐ≒1_旦旦
γム 弟4図に示す ..(12) なる形で表わされる｡すなわちゑ,したがって帰還率β(=ゐ乃′)ほ 負荷抵抗の値に関係することがわかる｡(12)式の第2項が1にくら蓬
月2ち 月′ 占 乃1
信任 瑞花評
論
ル♭第45巻
第4号 ′∂ 几 削ご示寸整流蓋は王聖規整流量てあ五 第4図 整流器の等価回路 〟ろ 〟ろ 凧 々β 第5図 新形磁気無接点継電 器の回路 〟∂ 仰濃高槻
鰭(=斤)
第6図 第5図の等価回路 ベ非常に小さい場合は,ゑ≒1と考えられるので,(11)式ほ几ん=一言詣-(乃′-1)･･‥･‥
…‥(13) となる｡ したがって,外部帰還形磁気増幅器を負荷が変動するような場合 に無接点継電器として使用すると,(13)式からあきらかなようにヒ ステリシスの幅は負荷によって大幅に変動し,負荷抵抗が小さくな るとヒステリシスの幅が増大し,負荷抵抗が大きくなると減少し場 合によってほ跳躍性が失なわれるため,小さな制御アンペアターン の変化で確実なon-OffrF用を行なわせることが困難となる｡ この点を改良するため著者らほ新しい何路を立案開発し,確実な On-Off制御を行ない得るものとした｡3･負荷変動を補償した新形磁気無接点継電器の原理
負恥こよってヒステリシス幅が変動しないようにするためには, (13)式を郎こついて微分した値が常に寄となればよい｡いま,乃′を 月の関数としてこの条件を満足する抑′と月の関係を求めると, 抑′=1＋且(γ0＋々)=乃′｡ (14) ここに 方:社 数 となる｡(14)式が満足さメtると,(13)式ほ 凡ん･=方g八㌔… ‥(15) となって負荷即こ無関係となる｡ 著者らはこれを実現するために舞5図に示すような回路を立案し た｡ ここに ル1:帰還巻線巻数 ∧1-2:(14)式を実現するための補依巻線 月エ:負荷抵抗(変動する) 凡:補 償 抵 抗 弟5図においてⅣ′2をⅣ′1に換算すると等価凹路は策る図のよう になり,等価帰還巻線数叫はル=ル＋岩打入′2･
‥(16)新
形磁
気
無
接
点
継
電
器 621 となり,また等価負荷抵抗則も月=___些⊥軋__
月′＋凡 となる｡(16),(17)式より乃′を求めると,仰′=貰=去(恥十,一告叫2)
=1十蕊卜冬､(㌔ニ叫-一川‡
となるから,γ｡=+り1￣几凡
+Ⅴ/2 すなわち, ル｢2_ Ⅳ/1一∧㌔ 凡 γ｡ (17) .(1_8) (19) に選ぶと,(14)式が満足されることになり,定数如ま(19)式の1/凡 倍に等しく,また(15)式ほ,凡ムヵ=旦岨
…‥.…(20) γ0 となる｡ すなわち,(19)式を満足するように〃/2/凡の値を選ぶと変動す る負荷凡にまったく無関係に一定の跳躍特性を有する磁気無接点 継電器を得ることができる｡また,その場合のヒステリシス幅は(20) 式で与えられる｡ 負荷電流が跳躍的に増大する点ほ(5)式で与えられるが,普通 ゐ≒1と考えられ,またム￠の絶対値ほ小さいから,凡が変動し,し たがってルが変動しても,(5)式の値ほはとんど変動しないもの と考えられる｡したがって(19)式が満足される場合は,負荷電流が 跳躍的に減少する点も負荷の値によらず一定となる｡ 自己帰還形の磁気増幅器は外部帰還形において,Ⅳr=凡の場合 に等しいからこれまでの理論をそのまま適用することができる｡1.磁気無才妾点継電器の設計
外部帰還形磁気増幅器を用いることにし
交流電源電圧実効値&=25V,周波数′=50c/s とする｡1偶の鉄心にほ且/2の電圧がかかるからこれに対して過 励振にならないためには次の式が成うてしなければならない｡鞋≦4.44′β凡5‖…
2 (21) ここに 月:鉄心の最大磁束照度 凡:鉄心1僻あたりの交流巻線巻数 5:鉄心の断面枯 また,最小負荷電流を10mA以下とすると次の式が成うとしなけ ればならない｡批≧ゑム0=貨･
･‥(22) ここに g:鉄心の平均磁路長 氏α:交流磁化に対する鉄心の等価抗磁力 鉄心として0.1×10×55×75mmのセソデルタコアを用いること にすると鉄心の占積率を0.9とすれば,5=0.9×10￣4m2となる｡鉄 心の残留磁束密度が1.4Wb/m2であるからβ=1.2Wb/m2に選ぶと (21)式から几:≧500Tとなる｡ また,J=0.25m,月`｡=16AT/m,ゑ=0･95とすると(22)式から 凡≧400Tとなる｡したがって,几=500Tに定める｡ そのほか,帰還巻線,補償巻線,制御巻線などの直流巻線として以下の巻線を設ける｡
400t,300t,200tx3,100t,50tx2,30t,20t,10t,5t ーレ′ -〃仰 ム 舶 〃 〃 〃 (可∈) 埋eK∧⊃爪K山 l柑 卯 即 〃 〃 (耳∈) 梶帥賢二昨 ム 第7図 新形磁気無接点継電器 月ど Z∫〆J♂C乍㌃ほほリー
/帖 ∧乃 /Vれ 々c 斤エ ハ皿 ハレ ハ‖U っ∠ 佃大 図 RU 第認諾
【 二 三 仰脈凡凡…ニ小
♂/ ィサ 脚 回 〃 路表
βZ 〃J 〝ろ/〝∫‖頒) 下向さ跳J野乗の軌;弥 βイプク≡:
上向さ跳躍臭の軌足淋 β β/ βZ ♂J β〃 〟ち/〝β(畑) 第9図 ル2/凡と跳躍点の関係(ルrl=505t) 巻線ほいずjtも連続定格160mA以下で使用するものとし,0･32￠ PEWを用いた｡ 試作した磁気無接点継電器の外観を弟7図に示す｡5.実験および結果の検討
実験の内容は次のノ∴ミを主眼にして行なった｡すなわち, (1)Ⅳ′1を505∼530tに変化させてル′2/凡の値と跳躍点の関 係を測定する｡ (2)Ⅳ′2=1,065t,凡=100エlの場合についてル′2/凡=一定に一23-622 〃 卯 〃 〃 〃 ♂ (耳§) 煙eK∧｢■1爪K] 〃 〃 〃 〃 ∬ 〃 〃 ♂ (耳臣､) 蝶叫脚旨ニー雌
/`≠
昭和38年4月 条 件 〟パ=J/♂≠ 一大一 凧=/♂♂♂ガ ーーーゝ- 〝J=∠♂〃ぶ ･--(〉一 席=∫♂ガ 〃) β 御 即 朗 卯 〃 〃 〃 煙Q)ハ∧｢【爪べ山 卯 Ⅳ 〃 ∬ 朋 刃 即 〃 ([卓) 照卿完叶コ昨評
立 川 畑 ∬卿柑 〃 l如必 〃竹 (マトニ盟e吋∧｢､爪ド山 三∠ゝ [i一円 条件〟う=Jプ♂J 一大一 斤∠=/仇7ガ ￣￣← 爪 =∠β♂g ￣￣一=-〝∠=〝丘 第45巻 第4号 ヒステリシスの幅 /二≦2≡妄雪雲
下向さ跳躍卓の軌跡 (冴 βJ (フィ JJ ∫ノ?ざ 〟ちノ〝r (ノノ甘) 下向き跳躍真の軌昆布≦≠芦
♂ク〆
上向さ跳躍真の軌跡 dノ dご ♂J J▲才 /∼しケ こ?J､ ′′Vrl′′1.ぞJトて′1こり 第10[ズlル′-2/凡と跳躍点の旧係(凡.=510t) 条 件 〟わ=∫/∫≠ ￣■■■■■伸一 〝J=/仇7ガ ーーー∠-････一 凡 =2β∂丘 ￣￣￣イ>￣■- 凧 =∫♂丘 一三ニ手プ
d7 β/ β2 βJ ♂イ β∫ 〟乃/々r (畑) 下向さ跳躍実の軌跡:≠声
ク♂ 上向き跳躍真の軌跡 月U n‖" 7 (=比劣
βノ βg βJ 凸イ β∫ β∫ d7 仇ヲ ノ抑;/仰亡(柏) 第11図 Ⅳ′2/凡と跳躍ノ焦の関係(ルー.=515t) 第 1 去 巻 線 抵抗(n) Na 400t 50t 12.5 8.6 1.25 50t 5t lOt 20t 1.2 0.2 0.3 0.6 30t ユ00t 200t 200t 200t 0.8 2.3 4.8 4.8 5.1 保ちながらⅣ′2と凡の絶対値を変化させる｡ (3)負荷抵抗凡ほ50∼1,000flの間で変化させる｡ (4)静特件および動特惟について補償回路ろ二つけない場介と比 300t 7.75 上向さ跳躍央の軌跡 /ノlT A 〃 甜 〃 〃 ガ へてヾ〕咽買っ∨いぃ｢｢心K+ 畑 仰 仰 仰 ガ 〃 〃 〃 ∬ 卯 ガ 〃 〃 〟 (て∈) 煤煙呂叶｢蛮 ′7β ∠17 〟β (フβ /仏//仰ご(畑) /♂ // /ご /J 第12国 外･2/凡と跳躍ノ∴くの関係(几′.=520t)二
/
/Jβ /a7 //♂ /亡びl叩篭
′ソ〟＼+ てりH三 占こ■フ畔 ･勺7辱 イJ宗 ▲∫♂ ご〝 /♂ J ×/ 7 〃い づ`ブ .ノ.ブ /♂ ノ/ 〟ろ′/机り//滋) =≠ク≠ 条 件 〟∧=∫2∫∠ -ト 〟J=/♂此柑 一一･･心････････斤J=2α旭 ￣￣￣く〉￣ 斤J=J♂丘 /2 ノJ 上向さ跳躍実の軌跡 β7 ♂β ♂β ノ♂ //一 〟ち/甥c (柏) /Z 節13[更i〟′2/凡と跳躍点の関係(入′1=525t) /J 較する (1),(2),(3)に関する実験回路を第8図に,その 結果を第9図∼第15図にラjてす｡また,使用した整流器の 特性を弟1る図に示す｡なお,各巻線の抵抗実測値は弟1 表のとおりである｡弟9図∼第15図iこよりほぼ予想どお ∼)の結果が得られていることがわかるが,さらに計算結果 と比較してみる｡内部抵抗γ｡にほ整流器の抵抗が含まれる が,第1d図から明らかなように整流器の正方向抵抗は電 流によって大幅に変動するためγ｡を一義的に定めること ができないr･ここでは術中のため整流器の正方向抵抗を零 とし,各巻線の抵抗だけからγ0を,また,(19),(20)式 よりⅣム/凡,凡ムゐを計算した｡その結果を弟17図の 1∫太線で示す｡ 次に第9図∼第15図によりヒステリシス幅がほぼ一定に保たれ ている場介･すなわち凡=50rlと200∫iの場合の他線の交点またほ無
気磁
形新
接 占継
電
器 623 (Y∴∴ 忙｢帥 言付 コ椎 仰 仰 仰仰 仰 仰 ガ 〃 〃 〃 卯 〃 〃 〃 β 〟 仰 ∬ 〃 〃 甜 ガ 〃 〃 〃 (Ⅴだ＼〕 張碓n苧｢粧 〃 上向さ跳躍実の軌跡 l二.-･'丁り_さノニて.の幅 深作 〟方=∫しヲβと -X一仇=/占玖クガ ーーー=-･･･爪=プ♂♂.9 小 爪=∫♂g 上向き跳躍臭の軌万琳 ♂.グ /♂ // /∼ ノJ /イ /∫ /♂ 〟右/ヤ｡(柏) 第14図 Ⅳ/2/凡と跳辟J【ぇの関係(Ⅳ/1=530t) 条件 〟/､′-.ケ.イ.り 爪 = 佃フガ ーーーーC- 〟/.:=/♂〟′ 一一→- 〟ぺ -十/け二 ･･･････-ムー ノ肌′.' 2α7∠ しチ/ガf ノJぴ∠ 一==⊆≡;≡;≡::≡≡…⊇≡≡≡≠
丁向さ削ぎぎ車レり鈍足瓶 1_ト1こモ訓丘官長の幸開拓 ｢耳臣∴ 仰仰 脚 伯七Q〕へ∧〕仙ぺ山 〃 仰 〃 〃 Ⅳ 々/ ♂2 ノl竹//沖亡(ん/お) 第15図 凡･2をパラメータとした場合の ノⅤ｢2/凡と跳躍ノごよの関係 プ上砂 /〟 てく ∈三 分三 脚 /α7 Jβ イ♂♂ 一￣∫♂ 〟J￣ /♂ 蛋ヨ圧(レ) βJ 第16区i整流器の静特惟(HR-25) 凡=50∫ユと1,000エ1の場介の仙線の交′し＼くからヒステリシスの幅,お よびその場合の叩も/凡を読んでその結果を弟】7図の実線で示し ナニ｡ これらを比較しでんると,実験結果は大体理論どおりでⅣム/凡 〃 〃 〃 〃 〃 〃 朋 〃 〃 甜(璧)
ギ＼い毒 仇ケ 卯 〃 彫 〃 (qい ぐ 〃 〃 卯 J♂ Z♂ 〃 ♂ ノク ♯(27)式を満足する偵 兼半(Z7)式と〟右/βcより逆算した植 /レ策//神J (実測値)＼ ＼ ヒステリシスの幅 (計算値) ＼ ＼/ガ…
/ /＼A
/ / 〟ぢ/祇(計算値) √∂(計算値) キ斗 几(実測値) ＼ヒステリシスの幅(実洲直) ノ♂ /∫ 2♂ プ∫ 川/ぢ-仙) 第17図(〃′-∧㌔)と諸最の関係 .材 へマ∈) 仰 仰 仰 価 〃 〃 埋eK∧｢一■恥K､山 形 甜 〃 〃 ガ 〃 〃 ♂ Lヲβ♂ 淵 へてF二 慌牌捏､瓜･ 仰 条 件 〟仁 = ∫/β∠ ルち = イββと バ)〝こ(9ββ白 々乙=∫戊 .チ♂♂ 【〃) 〃U っ∠ (て∈) 据ハ柑樫山叫 ガ ∩此 (〃) ハ‥レ っ∠ ′♂∠かぶ 斤ヱ=しケ♂分 ご♂♂ガ /J肌7ガ 条 作 〟ポ=.ケ､丁〟士 J補偶回路加. ♂/♂ ノ♂Jゲ イ♂ ガ 〃 ♂ 〝`抄､好 一〟 ガ 〝 制御電流(仰月) 制御電流(仰月) 第18図 補依回路のある場合とない場合の比較 および几ムヵは(ル1一凡)に比例することが知られた｡ 計算結果と実験結果の相違は主として整流器の正方向抵抗が一定 でないこと,および鉄心が完全な角形ヒステリシス特性を有してい ないこと,励磁電流が一定でないことによると考えられる｡補償回路のある場合とない場合を葬18図の例によって比較する
と補償回路の効果が良く知られよう｡ 補償回路を設けた場合の欠点は仲之なる余分の巻線を必要とする ことである｡しかし,一般に磁気無接点継電器として用いる場合ほヒステリシスの幅ほできるだけ小さくすることが多いので(ル1-凡),したがって凡2も割合小さな値になる｡また叫1に比べて流
れる電流も小さいから小容量の巻線を用いることができる｡ 以上,基礎実験の結果について述べたが,この磁気無接点継電器 を使用して第19図に示すようなプログラム制御用基準速度発生装 置を試作し,電車等価実験装置により列車のプログラム制御を行な一25-624 昭和38年4月 日 止
