近代的物流支机関车及货物电车

特　　集SPECIALREPORTS近代的な物流を支える機関車及び貨物電車システムLocomotiveandContainerCarSystemSupportingModernDistributionandTransportation特　　集山本　城二櫻井　公男長瀬　光範■YAMAMOTOJoji■SAKURAIKimio■NAGASEMitsunori一般に，貨物輸送に対する需要は景気の動向と密接な関係にあり，輸送の伸びはそのまま機関車の需要に結び付いてくる。日本国内では軸重の制限もあり比較的小型の電気機関車が使用されているが，海外では軸重20～30tクラスの電気機関車も存在し，大型化とともに制御システムもますます高機能化していく傾向にある。また，これからの貨物列車けん引用の電気機関車システムは単に高性能なだけではなく，安全性や信頼性についても十分に配慮されたものが要求されている。東芝は，最新の技術を適用し，国内及び海外のユーザーの満足が得られる最適な機関車システムを提供している。Thereisgenerallyacloseconnectionbetweenthetrendinbusinessconditionsandfreightdemand,andexpansioninthetransportationsectorisdirectlyconnectedtothedemandforlocomotives.LocomotivesusedinJapanarecomparativelysmallbecauseofthelimitationonaxleweight,whileelectriclocomotiveswithanaxleweightofabout20to30tonsarecommonlyusedinothercountries.Theperformanceandcontrolfunctionsoflocomotivesarebecomingincreasinglysophisticated.Moreover,locomotivesystemsforfreighttrainsarerequiredtooffernotonlyhighperformancebutalsosufficientlevelsofsafetyandreliability.Toshibaissupplyingoptimumlocomotivesystemsincorporatingthelatesttechnologies,whicharereceivinghighevaluationsfromcus-tomersbothinJapanandoverseas.1まえがき鉄道貨物輸送に使用されている機関車は，出力容量，台車車軸配置，及び電気システムなどは異なっても，冗長性を含めた信頼性や安全性などに関しては，十分に配慮されたシステムが求められている。東芝は，日本国内及び海外向けに，ユーザー側の要求に適合した機関車システムを長年にわたり供給しており，また，新しい市場ニーズに対応するため，常に高機能・高性能化を目指した開発を続けている。ここでは特に，貨物列車けん引用の最近の機関車システムについて述べる。図１．DJ3形交流電気機関車－交流架線25kVを電源とする，出力7,200kWの6軸機関車である。2中国鉄道部向けDJ3形交流電気機関車システムDJ3typeACelectriclocomotive2.1概要近年，中国では高い経済成長率が持続しており，物資の輸軸配置Co-Co（注１）送についても高い伸び率を示している。これに伴い，貨物総質量150（25tt×6軸）輸送用の機関車の需要が高まってきており，当社は，主要幹最高運転速度120km/h線での大型貨物輸送用として，出力7,200kWの6軸電気機機関車出力7,200kW（連続定格出力）関車を開発し納入した。環境温度－40～+40℃2.2機関車の仕様2.3主変換装置の仕様機関車の主な仕様を以下に示し，外観を図１に示す。主変換装置の主な仕様を以下に示す。架線電圧交流25kV，50Hz制御容量1台当たり1,250kW主電動機×3台東芝レビューVol.61No.9（2006）15けん引用変換器PWM（パルス幅変調）コンバータ＋いる。冷媒には，－40℃対応として水系不凍液を採用してインバータいる。制御方式各軸個別ベクトル制御方式循環水冷方式には以下のような特徴がある。半導体素子4,500V-900AIGBT（絶縁ゲート冷媒の強制循環によりヒートパイプなどに比べて伝熱バイポーラトランジスタ）性能が優れており，大容量変換装置の冷却に適している。補助電源230kVA，主変換装置に内蔵入熱部と放熱部は配置上の制約がないため，保守面冷却方式を優先した機器構成が可能である。PWMコンバータ・インバータ循環水冷方式主変換装置の内部の配置を図２に，また，IGBT冷却部の補助電源強制風冷方式模式図を図３に示す。主変換装置内の複数のIGBT素子を冷却する水冷フィンは，主変換装置の外部にあるラジエータと配管で接続されて3DF200形電気式ディーゼル機関車システム3.1概要インバータコンバータ補助電源DD51形液体式ディーゼル機関車の置換え用として，当社が主回路システムを開発し，1992年から随時量産車を投入1群してきた。2003年（101号機以降）からは，システム構成は変2群えず主回路素子をGTO（ゲートターンオフ）サイリスタから3群IGBT化し，その高速スイッチング特性を生かしてベクトル制御を採用し，粘着特性の改善によるけん引性能の向上を図っている。3.2機関車の仕様図２．主変換装置内部の配置－コンバータ，インバータ，及び補助電源を機関車の主な仕様を以下に示し，外観を図４に示す。内蔵する。InsidelayoutofpowerconversionunitofDJ3typelocomotiveIGBTモジュールヒートシンク（アルミニウム製）給水口図４．DF200形電気式ディーゼル機関車－1,800PSのディーゼルエン排水口ジン発電機2台を搭載した，インバータ駆動方式のディーゼル機関車である。DF200typediesel-electriclocomotive図３．IGBT冷却部－水冷により高い吸熱効果が得られている。Coolingblockofinsulatedgatebipolartransistor(IGBT)機　関1,800PS/1,800rpm×2台軸配置Bo-Bo-Bo運転整備質量96.0（軸重16.0tt）（注１）機関車の動軸（モータが付いている車軸）の配置を 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf し，A，B，Cは最高運転速度110km/h動軸の数（それぞれ1，2，3軸）を表す。・Co-Co：機関車1両に台車が2台あり，各々の台車には動軸が3機関車出力1,900kW軸ずつある。ディーゼル機関車の場合，液体式変速機では構造や寸法・Bo-Bo-Bo：機関車1両に台車が3台あり，各々の台車には動軸の制約から高出力化が困難で，また，摩耗の大きい機械部品が2軸ずつある。が多く保守性も悪い。そのためこの機関車は，ディーゼル発・（Bo-Bo）-（Bo-Bo）：中間に連結器を持った2車体から成る1両の機関車に全4台（2台＋2台）の台車があり，各々の台車には動電機で発電した電力により主電動機を駆動する電気式軸が2軸ずつある。ディーゼル機関車としている。16東芝レビューVol.61No.9（2006）重連運用（注2）と同等の冗長性を保つため，主回路システムと補助電源システムは完全2群構成とし，更に冗長性を高めるため，主電動機回路は1台ごとに開放可能で最適制御を特　行える個別制御方式を採用している。また，電気ブレーキ　のニーズ拡大に対する発電ブレーキ用抵抗器の設置，主要集電気回路の2群化，インバータ故障時の開放単位の細分化，更には，大出力エンジン2台で構成した高い冗長性を備える狭軌（軌間1,067mm）路線に適合した機関車として開発した。なお，前記により回路を構成する機器数が多いため，装置の小型化，集約化，及び軽量化を図った。3.3主変換装置の構成仕様主変換装置の主な仕様を以下に示し，外観を図５に示す。制御容量1台当たり320kW主電動機×3台制御方式各軸個別ベクトル制御方式図６．EH500形交直流電気機関車－4,520kW（短時間）の出力を備え，青函トンネルの走行も可能な交直流電気機関車である。冷却方式強制風冷方式EH500typeAC/DCelectriclocomotive運転整備質量　　134.4（軸重16.8tt）最高運転速度110km/h機関車出力4,000kW（1時間定格出力）この機関車は，ED75形及びED79形の重連運用解消のため短時間定格を4,520kWに設定し，青函トンネル内の25/1,000こう配での安定した起動性能を確保するよう，8軸駆動で2車体永久固定方式のH形機関車としている。主回路システムはコンバータ1台・インバータ1台・主電動機2台を駆動単位とし，また，補助電源装置は1両に2台搭載して，運転冗長性が十分確保できるようにしている（1）。4.3主変換装置の仕様図５．主変換装置－従来のGTO製品と同外形で同構成の，IGBT素子主変換装置の主な仕様を以下に示し，外観を図７に示す。を利用した主変換装置である。PowerconversionunitofDF200typelocomotive制御容量1台当たり565kW主電動機×2台制御方式台車単位ベクトル制御方式PWMコンバータ＋インバータ冷却方式強制風冷方式4EH500形交直流電気機関車システム4.1概要ED75形交流電気機関車の置換え用として当社が開発した。首都圏～函館間の異なる電気方式（直流及び交流電化区間）と保安装置方式（ATS（自動列車停止装置）及びATC（自動列車制御装置））に対応し，機関車の交換を行わずにけん引することで，運用効率と速達性向上を図っている。4.2機関車の仕様機関車の主な仕様を以下に示し，外観を図６に示す。架線電圧直流1,500V／交流20kV，50/60Hz軸配置（Bo-Bo）（Bo-Bo）-図７．主変換装置－コンバータとインバータを一体で構成した主変換装置で，565kWの主電動機2台を駆動する。PowerconversionunitofEH500typelocomotive（注２）機関車を2両以上連結して運用すること。近代的な物流を支える機関車及び貨物電車システム17運転整備質量134.4（軸重16.8tt）5EH200形直流電気機関車システム最高運転速度110km/h5.1概要機関車出力4,520kW（1時間定格出力）EF64形直流電気機関車の置換え用として当社が開発し，5.3インバータ装置の仕様中央本線や篠ノ井線をはじめ，直流電化こう配線区へ投入インバータ装置の主な仕様を以下に示し，外観を図９にしてきた。機関車出力は，短時間の最大定格を5,120kWに示す。設定し，EF64形直流電気機関車の重連に相当する性能を制御容量1台当たり565kW主電動機×2台確保している。この機関車は，安定したこう配起動性能の確制御方式各軸個別ベクトル制御方式保と冗長性の向上を図るため8軸機関車とし，粘着性能向上冷却方式強制風冷方式を図るため各軸個別ベクトル制御を採用した。運転冗長性を確保するため，補助電源装置に異常が発生した場合には，6M250系直流貨物電車システム主回路インバータ装置の1台を速やかにCVCF（ConstantVoltageConstantFrequency：電圧・周波数一定）運転に6.1概要切り替える，デュアルモード方式を採用している。貨物の鉄道輸送は，発着地の貨物駅においてトラックとの5.2機関車の仕様載せ換えが必要となり，東京～大阪間などの中距離ではトー機関車の主な仕様を以下に示し，外観を図８に示す。タルの輸送時間を短縮することが容易ではないが，昨今の架線電圧直流1,500V環境問題対策（二酸化炭素排出量の削減など）から鉄道貨物軸配置（Bo-Bo）（Bo-Bo）-輸送へのニーズが高まっている。このため，所要時間を短縮して速達性を向上することが必要であり，最高速度と曲線通過速度の向上が可能な動力分散方式とし，軸重軽減と加減速性能向上を行える貨物電車方式が開発された（2）。6.2貨物電車の仕様貨物電車の主な仕様を以下に示し，外観を図１０に示す。架線電圧直流1,500V編成4M12T（注3）編成質量406（空車）t／728（積車）t最高運転速度130km/h機関車出力3,520kW（1時間定格出力）図８．EH200形直流電気機関車－短時間最大出力5,120kWを備える，直流電化こう配線区向けの直流電気機関車である。EH200typeDCelectriclocomotive図１０．M250系直流貨物電車－東京～大阪間を6時間10分で結ぶ，動力分散方式の貨物電車である。M250typeDCelectriccontainertrain図９．インバータ装置－インバータパワーユニット上部にフィルタリアクトルを配置し，小型化と冷却構成の簡易化を図っている。（注３）Mは電動車（Motorcar），Tは付随車（Trailer）を表し，この場合，InverterequipmentofEH200typelocomotive電動車4両＋付随車（コンテナ貨車）12両の編成であることを表す。18東芝レビューVol.61No.9（2006）M250系直流貨物電車は，4M12Tの固定編成で，電動車7あとがき各2両を編成の前後に配した構成となっている。各電動車にはコンテナを1個，付随車には2個搭載でき，電動車はコンこれまでに当社が開発した貨物列車けん引用の各種機関特　テナ1個分のスペースを運転室と機器室の構成にしている。車システムのうち，一部について概要を述べた。　6.3インバータ装置の仕様当社は今後も，電源やけん引負荷など様々なニーズに合わ集インバータ装置の主な仕様を以下に示し，外観を図１１にせた機関車システムの開発を行い，社会に貢献していきたい。示す。文　献制御容量1台当たり220kW主電動機×2台日本貨物鉄道株式会社．2001年車両形式図．制御方式各軸個別ベクトル制御方式中川哲朗，ほか．M250系直流貨物電車（スーパーレールカーゴ）の開発．冷却方式ヒートパイプ自然冷却方式（冷却部かくJREA．47，11．2004，p.28－34.はんファン付き）電動車はコンテナを搭載するため低床化されており，車両の床下に電気機器を搭載するのが困難なため，床上の機器室に搭載するようにした。パワーユニットはヒートパイプ自然冷却方式を採用しているが，機器室内に搭載するため対流補助用にファンを取り付けている。山本　城二　YAMAMOTOJoji産業システム社交通システム事業部交通車両システム技術部グループ長。海外鉄道車両システムのエンジニアリング業務に従事。TransportationSystemsDiv.櫻井　公男　SAKURAIKimio産業システム社交通システム事業部交通車両システム技術部参事。海外鉄道車両システムのエンジニアリング業務に従事。TransportationSystemsDiv.長瀬　光範　NAGASEMitsunori図１１．インバータ装置－インバータユニット2台と制御ユニット4台を産業システム社交通システム事業部交通車両システム技術集中配置したもので，インバータユニット2台を収納する装置とこの装置で1対の構成としている。部主任。鉄道車両システムのエンジニアリング業務に従事。TransportationSystemsDiv.InverterequipmentofM250typetrain近代的な物流を支える機関車及び貨物電車システム19