EF200-901
*出典元:Wikipedia
(デビュー当時のカラーに化粧直しされたEF200 試作車番901号機)
         
1990年平成時代の幕開けとともに、誕生した最大出力6000kw
(仏馬力換算8158ps)というとてつもない大出力を誇る
日立製 EF200形直流電気機関車。 

最新インバーター制御システムとコンパクトでありながら
1軸辺り1000kwという高出力の三相かご形誘導電動機
(モーター)を6台搭載した国内至上最強の電気機関車。

直流電気機関車に多相交流の技術の礎を築いた
ニコラテスラの技術をまとっています。


N700系新幹線のモーターが1軸辺り305kwなので実に3倍強の出力
しかも線路幅が狭い在来線で達成しなければならなかった

JR在来線の軌間(線路幅)は日本の鉄道が明治初期に採用した
1067mmで、新幹線の軸間は世界標準軌の1435mm

車両下回りのスペースに余裕のある標準軌に対して軸間が狭い狭軌
でこれを達成した事は、技術的に大変な偉業を成し遂げた事になります。

そして海外の機関車に比べ非力だった日本の電気機関車の
イメージを覆す最強伝説をつくったモンスターEL

技術やデザインを含め数々の意匠もあり 
そんな最強の電気機関車EF200が

2019年3月28日、山陽本線下関幡生操作場から
大阪吹田貨物ターミナル駅の運用をもって引退しました。

今はひっそりと生まれ故郷の日立製作所水戸工場にデビューした
当時のカラーリングに化粧直しされ静体保存されています。

1990年に生まれ2019年に引退という30年間という
電気機関車としてはあまりにも短い運用期間で引退に
追い込まれたその理由を深堀していきます。

1990年はこんな時代!
  • テレビでちびまる子ちゃんが放映される
  • TBS記者の秋山豊寛さんがロシアで日本人初の宇宙飛行
  • プロ野球はセ・リーグ優勝 読売ジャイアンツ
  • 大相撲では、昭和最後の優勝力士千代の富士が前人未踏の通算1000勝を記録
  • 国内4輪レースでは全日本F3000とツーリングカー選手権で 星野一義選手がタイトル
  • 国内2輪レースでは500cc 伊藤真一選手250cc 岡田忠之選手がタイトル

EF200、R32GTR、ZZR1100、GSX-R1100の写真
(時を同じくして誕生した最強の仲間達 技術の粋を集めたマシン)

1989-1990年は鉄道、自動車、バイク業界に最新技術が惜しみなく
投入された最強のマシンが世の中に登場しました。

先生!この時代は、世の中が皆熱かったんですね!産業界はバブル景気で新型ラッシュも続いたみたいで。自動車もスカイラインGT-RやオートバイもZZR1100などRがついた最強の文字が多く出始めたのもこのころかも。

Nissan_Skyline_R32_GT-R

*出典元:Wikipedia

1980代からぽつぽつと出始めたよね!だけどこれだけじゃないんだよ。速くて力持ちで最強だったっていうのは。この時代に誕生したステレオオーディオアンプにもいえるんだよ!1990年満を持してソニーが発売したプリメインアンプTA-F555ESLという機種だよ。小さな箱の中身は最新パワートランジスタが入り熱やノイズ対策で、技術者の創意と工夫が散りばめられた料理で言えば正月のお節料理と同義なんだ。まさに「技術の宝石箱なんだ」彦摩呂さんならそういってくれるはずだよ!アンプとは、スピーカーとセットで音を出す装置の事で、黒やシルバーやゴールドといった綺麗な金属化粧ケースに入った電気信号を増幅する装置なんだよ。

sony

*出典元:SONYオーディオカタログより 下は同器内にある素子MOSFETパワートランジスタ
ソニープリメインアンプTA-F555ESLに使用されているパワートランジスタ

今日は1990年誕生の日本の電気機関車が引退するのが話の要で補足として当時最強の自動車、バイクのテーマを絡めて展開していくんじゃなかったんですか?オーディオをだすのならじゃあ海外の飛行機もいいですか!アメリカ空軍F-15制空戦闘機の後釜で現在も主力の第5世代ステルスジェットのラプターYF-22が初飛行した年でもありますよ。156kN×2個のPratt & Whitneys 製F119-PW-100型ターボファンエンジン を積んでるすごいやつですよ。日本だったらIHIや三菱、川崎じゃないとつくれないんじゃないですかね。



F-22_Raptor
*出典元:WikipediaラプターYF-22と同機エンジンF119-PW-100
Pratt_&_Whitney_F119

というか逆ですよ。IHIは民間航空機部門でラプターのエンジンメーカーであるPratt & Whitneyにタービンブレードの供給をしてたんだ。ところで今日のEF200の話だけど、今話がでたオーディオアンプはラプターや自動車、バイクの開発にも繋がる話なんだよ。結論はズバリ半導体デバイス。パワーエレクトロニクスという技術!GTOサイリスタやMOSFETやIGBTといったスイッチング素子というやつで、電圧や電流をトリガー電圧や電流をかけて自由自在にコントロールする技術だよ!ソニーのプリメインアンプTA-F555ESLにもMOSFETトランジスタが贅沢に奢られているんだよ。



SONY AMP
*出典元:SONYオーディオカタログより

ふ~ん。なんか難しそう。僕はやっぱり千代の富士の91年の緊急記者会見で

「体力の限界、気力もなくなり、引退することになりました。」

「最後に貴花田と当たってね、若い、強い芽が出てきたな、と。そろそろ潮時だな、と。」

あの最強の人が現役引退を表明した時の言葉が今でも
印象に残っています。最強を背負って歩んできた故の苦悩が見えたような感じです
もしも今回ご紹介する電機機関車EF200が
しゃべれたとしたら人間に何を伝えたかったのだろうと。。。

EF200に興味がありそうなペルソナの予想

技術史、科学技術、電気、通信、無線、情報、機械 工学系が好きな方 動くものが好きな方、
駅弁が好きな方、なんでもアンテナを立てている方、etc...

背景

時は1987年、国鉄の分割民営化が行われた当時の話になります。
日本のバブル時代の経済成長拡大とともに、日本三大工業地帯が

隣接する東海道(山陽)本線に 輸送力増強と旧国鉄時代からの
旧型車入れ替えを目的として、直流電気機関車の開発が急務と
いうお達しがJR貨物輸送に下り開発が旧ピッチに行われました。
*8分19秒あたりがEF66(EF200の先輩)の先頭車両での試験走行が始まります。↓南海太郎さん動画有難うございます!

*写真下はEF200デビュー前の最高出力車EF66 ユーチューブ上と別動画へリンク→ 瀬戸大橋 橋梁荷重試験に向う様子。

瀬戸大橋上で1両100tクラスの電気機関車を9重連で全快走行させ、橋の中央で急減速をする橋に負荷をかけたわみを測定する
1000t荷重試験、今年で人でいう51歳、延命処置も施され
東海道山陽本線で27号機(ニーナ)は現在も活躍中です。
*後ろに従えるのは先輩EF65(1965年誕生)EF64(誕生1964)で
こちらも化粧直しされ現在も活躍しているモデルが存在します。

JR_Freight_f66

(1988年本州四国連絡橋開通前の1000t荷重耐久試験に先頭車両として投入されるEF66 18号機)
*出典元:Wikipedia

国産初 大出力インバーター直流電気機関車の誕生

1990年 これまでにない最新技術を投入された最強の直流電気機関車が茨城県ひたちなか市にある 日立製作所水戸工場で誕生しました。 その電気機関車(EL)の名前は、EF200形 電気機関車です。

当時至上最高出力にあたる総合6000kw 直流電気機関車に三相交流誘導電動機を搭載 (仏馬力換算)8158(PS)馬力(1PS=735,499wで換算)を発生しVVVF電圧型インバーター装置を初搭載したニコラテスラ技術をまとった電気機関車となりました。ニックネームはクジラ、マンモス、インバーターハイテックロコなどです。

ef200とダンプ馬力比較
*10tトラックの説明でICTとは、インタークーラーターボの略
になります。
EF200の出力はこれまでの最高出力を誇っていたEF66の
約1.5倍相当の力を発揮します。

      「基本スペック」
1、運転整備重量100.8t
2、最高速度120kmh
3、主電動機 FMT2形三相交流誘導電動機(1000kw)×6基
4、制御方式 GTOサイリスタ素子1C1M式VVVFインバーター制御
5、形式 EF200(Eは電気でFとは動輪軸が6軸の意味です)
*アルファベットAから順に1つづつ増える(例EH200,500,800は
8軸、SLのD51,ED76は4軸、)
6、架線電圧 直流1500V
7、定格引張力26,600kgf

台車部に関しては将来の160kmh以上の速度運用にも対応可能
としていました。
また、登坂能力として10‰(パーミル)1600t牽引
90km/h25‰1100tの引き出しが可能

*パーミルとは・・・鉄道線路での勾配を表すときに
用いられます。
水平距離1000m当たりの高低 を指すします。
25‰は1000mで25m高くなるという意味です。

これまでの機関車の最大は1300tでコンテナ車26編成だったものをEF200は1600t牽引でコンテナ車32両編成とこれまでの2割の
増大を見込んで造られました。

ef200コキコンテナ貨車牽引台数
32両編成で全長約660mの長さ、新幹線N700系16編成の 全長は約400m

それまでの旧国鉄時代に開発された直流電機機関車の最高出力は1968年から製造されたEF66型直流電気機関車で最高出力は3900kw仏馬力換算で5303PSです。

この機関車の27号機は半世紀以上現役で延命処置を施され
今も東海道山陽本線で運用されています。

EF66_27

*出典元:Wikipedia

1996年にEF200の置き換えとして開発されたEF210型直流電気機関車は最高出力3390kw仏馬力換算4609PSと相当マイルドに仕上げ
られています。

省電力機として開発が進められ所属が岡山機関区ということで、
ニックネームはECO-POWER桃太郎で親しまれています。

EF210-124

*出典元:Wikipedia
出力だけでなく顔つきも優しくなったEF210桃太郎
640px-EF210マスターコントロール周辺

  *出典元:Wikipedia EF210桃太郎の横軸ツインレバー型マスターコントロール運転台 

インバーターについて

インバーターは、主に電源回路など装置の事を指し、
直流から交流へ、周波数の異なる交流を発生させることができる
逆変換装置です。

インバーターの説明の前に、直流と交流について簡単に
触れたいと思います。

*直流とは・・・私達の身の回りにある直流として思い浮かぶ
のが、乾電池、車のバッテリーですね。

2番、3番目の波形は交流から直流へ変える為に、整流ダイオードという半導体を繋げた時に出来る

半波整流、全波整流になります。2番、3番目は山形ですが、
プラス方向のみの波形ですので、これでも直流です。

この波を出来る限り平らに近づける為に、整流ダイオードの後に
コンデンサーを繋く回路をつくります。

直流波形



*交流とは・・・私達の身の回りで思い浮かぶのが家庭内にある
コンセントから取り出せる商用100Vの50Hz/60Hz交流パルス電源
です。

一番上のサインウェーブといわれる波形が商用電源と同じ波です。

2番、3番、4番目も見慣れないですが方形波、三角波、ノコギリ波といった交流波形になります。

直流の波と交流の波の大きな違いは、直流は+方向のみ-方向のみのどちらかにのみ偏った成分で交流は、+と-を繰り返す
波の成分を持っています。

交流波形

インバーター・・・端的には、直流から交流に変換することです
広義では、色々な意味で使われています。

インバーター説明

                   *出典元:富士電機 インバーター資料より

インバーター回路の出力側からは、このようなパルス幅変調という制御方式で、電圧と周波数を時間軸の幅で表現して、アナログ波である正弦波に近い擬似波を造り出しています。
Pwm-VVVF説明

私達の身の回りにもエアコンや照明、そして洗濯機などの
回転物に使われており省エネの効果もあります。

照明、エアコン、洗濯機、扇風機にはPAMやPWM制御方式が
多く使われています。

*EF200形のVVVFもPWM制御方式を採用しています。

INV説明
「PWM制御とPAM制御」の違いについて 日本冷凍空調協会のサイトへリンクします

ポンプをインバーターで使う場合は使用条件によって必ずしも
省エネになるとは限らないです


インバーターは周波数と電圧を変更しながらモーターの回転を
無段階に細かくなめらかに速度を変えられる事が特徴で、
工場などの設備ではインバーターを使わない方法として

小型のファンなどは、
結線がシンプルな直入れ始動方式が使われています。

またモーターが大きくなるにつれ起動後の突入電流も大きくなる
ためスターデルター始動方式が使われています。

TOQBOX9000さん 
素晴らしい手の込んだ動画を有難うございます!


*日立GTOインバーター音E2,3,4新幹線4分39秒EF200の音に近いです。13分23秒辺りから京急ドレミ電車の音も聞くことができます。日本のどこかで聞いた事がある音が混じっているかもわかりませんね。*個人的には後発ででたIGBTの音が高音すぎて、お化けが出てきそでおっかない感じです!

突入電流とは・・・電気機器に電源を投入したときに、一時的に流れる大電流のことを指します。モーター起動直後モーター巻線に電流が流れることで平常時の電流にたいして、7倍から10倍程度の電流上昇が働くことで始動電流やインラッシュカレント ともいわれます。

直入れ始動方式(全電圧始動)・・・この始動方式は7.5kW以下の小容量電動機を中心に用いられています、これは端子に直接電源を加えて始動する方法もっとも簡単な始動方法です。

スターデルタ始動方式・・・この始動方式は11kW以上の大容量電動機に主に用いられており、一次巻線を星形スター接続にして起動し、ほぼ定格速度に達した後に三角デルタ接続に切り替える方法で、

始動電流を直入始動の1/3に落とすことができる。マグネットリレー(電磁開閉器、接触器)の数が2つ、3つ、4つと用途により結線方法が異なります。

*上記以外ではリアクトル始動方式、コンドルファー始動方式、一次抵抗始動方式があり、ともに大きな需要家で使われている方式になります。

牙を抜かれたEF200のデチューン化


JR貨物の威信をかけた最高出力6000kwのモンスターは、
フルノッチ(車で言うアクセル全開)で走行させると、
架線の電圧降下が著しい。

電圧降下が大きいと、同じエリアで運行している機電車も
その影響をうけて、思う様な力行運転(車でいうアクセルを開けて駆動をかける)が出来なくなる。
場合によってはガクッと減速してしまう。

特に電力消費が大きいといわれていたEF200のVVVFインバーターは加速時にその速度に応じた電流が追従して流れるような仕様になっていたとも言われていました。

ef200と直流き電変電所の電圧降下
ef200と直流き電変電所の 過電流
真の原因は、地上設備である変電所の容量が、この機関車の大出力に対応しきれなかった事が のちに判明するのですが、

家庭内の電器で例えると、
一つ15Aのブレーカーに冷蔵庫と電子レンジが

二次側負荷としてあった場合、電子レンジでオーブン加熱など
してしまいブレーカーの容量を超える

電流がしばらく流れてしまうことでブレーカー内(熱動式の場合)のバイメタルが過電流により加熱され湾曲、
ブレーカーがトリップするのと理屈は同じです。

家庭用ブレーカー容量について

この直流き電方式1500Vは概ね、並列き電と呼ばれる回路構成をとっていて電車や電気機関車の走行に必要な電力の供給は約5kmから10km間隔に設置された2箇所の変電所間から供給されるしくみになっています。

また車両に供給する電気を送るのに車両にある集電装置であるパンタグラフに直接触れるトロリー線だけでは、線が細く、変電所から離れた中間地点に近づくほど電圧降下も大きくなるので、

トロリー線とは別にき電線という太い線を電柱やビームよりに並行で送って電気を供給していますが、家庭や工場などの場合と比較すると、
架空電車線
右側線路の上空に一際太い直流1500Vき電線がトロリー線などと一定間隔で距離をあけながら並行してはられている。き電線から見て更に上空には三相交流RST相6600V線と一番上空には避雷用の架空地線が通る
き電線

右側の太いき電線から、スチールパイプ製可動ブラケットに沿うように、き電分岐線がちょう架線を伝いトロリー線に+の電気を流す。架線はシンプルカテナリーでトロリーはG110前後と思われる


電源取り出し口のコンセントと負荷である冷蔵庫の場合
互いに使用時に距離は固定されているのが当然なのですが、

鉄道は二次側の負荷である機電車が動きながら電気を消費しているのが家庭や工場と違い安定した電力供給をより難しくしています。

供給電圧が高ければ電圧降下にも余裕が生まれるため特性上
高電圧になるほど線を細く出来る

*水を電気の流れで例えるとイメージし易いです。
水圧を高くすると勢いよく水がでる

直流の場合、容易に電気を遮断できない
(切る事が難しい電流零点がない)

電位差

電圧と電位差2
*出典元:北海道でんき保安協会「電位差について」

*直流の場合は、電圧が常にかかっている特性上交流のようにプラス→ゼロ→マイナスという周期を繰り返しておらずゼロの

瞬間がないため、電流が大きく流れている中で強制的に遮断しないといけないので遮断失敗のリスクが大きいです。

もうひつ負荷であるモーターの絶縁耐性の問題もあり、
直ぐに遮断する(切る)ことができない直流電圧を
引き上げるのは危険であったりといった理由があります。

EF200は、JR貨物初のインバーター搭載三相交流誘導電動機を
駆動させるマシンとなりましたが、大出力ゆえに

完全個別制御方式の利点である空転再粘着性、高粘着制御が
インバーター制御の本来のうりである

無段階なめらか制御が存分に発揮できなかったかもしれません。

高粘着とは・・・摩擦するといった意味で使われます。
空転の対義語
粘着式鉄道方式・・・駆動力が車輪にかかって車輪とレール間の静摩擦に頼って走行する鉄道を指す言葉である。粘着という言葉は摩擦という言葉で使われ、レールに車輪がくっつくという意味ではない。*出典元:Wikipediaより

*機関車は機関車単体でしか駆動輪を持っていないので

(動力集中方式*車でいうFF車のイメージ)

電車(動力分散方式*車でいう4WD車のイメージ)

と比較した場合、静から動へ、動から静への移動は

どちらも運転が難しいです。

連結した貨車の積荷の状態、編成の数、重い時軽い時の重心の問題

など、また連結した貨車の種類などでも影響するので、

今回はブレーキの説明は割愛させて頂きます。

個別制御方式・・・人で例えると、マンツーマン教育で、
1つのインバーターで1つのモーターを制御

FF車・・・4輪あるタイヤの中で、エンジンのある前輪の
2つのタイヤのみが駆動輪となるもの

4WD車・・・4輪あるタイヤの中で、4輪共が駆動輪となるもの

1つ目はEF210桃太郎の空転音(ホイルスピン)35秒前後から
インバーターのうねり音がでます。

機車の車速に対して急激にインバーター音が高音になっている
のがわかります。重くてしんどそうです。

2つ目は東急電車の車輪空転が確認出来ます。35秒前後と1分3秒辺りでチェックしてください!

OBB1016さんEF210の貴重な空転音動画有難うございます!

いちに-さん、至近距離からの判り易い空転動画有難うございます!

 
EF200の問題により旅客鉄道と貨物が協議を交わされた中で、
重要な区間のみでも変電所の増強やインバーター制御のプログラム変更など改善させてもらえる猶予期間や国からのバックアップが、

もしもあったなら日立製作所も機関車開発製造を打ち切ることなく昭和国産初の電気機関車製造メーカーの機関車製造部門撤退もなかったかもしれないと思うのは、私だけかもしれませんが、

(出典:ED15形 日立製作所HPより)

21台製造されたEF200のなかで、最初に登場した試作車901番は
生き残っていますが残りの残念な姿は見るに耐えられません。

(部品取りなどで、順次ガス溶断解体が行われてきた)

地上設備である変電設備を全てパワーアップすることは
難しいので、フルノッチ全快禁止の発令は企業としては

間違っていないのですが、色々な制約の中で、この時代に
誕生した素晴らしいマシンでした。

高出力インバーターはノイズの嵐

1990年頃から、鉄道沿線の近隣にある工場への高調波ノイズ問題が徐々に業界で取りざたされるようになりました。

電気機関車に限らず、旅客用電機車にも新幹線鉄道にも、
それらに対応する変電設備にも、また工場内にある電動機制御用

インバーターにも産業用ロボット自体の制御装置である
サーボアンプからもありとあらゆる回転物には

インバーターやコンバーターなどで制御がされています。

我々の身近に存在する電子機器は、我々の体と触れた際、電位差
により発生する静電気や、電子機器自体から発生するノイズ、

機器意外からくる外来ノイズなど、機器に繋がっている
ラインから入ってくるもの、また空中線を伝わり無線波として

配線や機器躯体に入り込んでくる場合もあります。
個人の家庭でもオーディオや無線が好きな方はそれらの

ノイズには特に敏感ではないでしょうか?

半導体であるスイッチング素子でつくられた電源は
ノイズを発生します。

オーディオが好きな方は、家庭内のコンセントから入る電気も
実は汚れていることも認識されていると思います。

超高速でスイッチのONOFFを繰り返す為、その前後に
繋がれている受動素子で、ある程度はフィルター回路として
ノイズを低減する事はできるのですが完全ではないです。

*コンバーター・・・交流から直流に変換すること

受動素子・・・コイルL、コンデンサC、抵抗Rは、電気に出てくる名脇役で、交流と直流では活躍する用途は変わりますが、そのもの自体では機能しない電子部品 ですが、これらがないと能動素子は機能しないです。

受動素子LCR
*写真 左からディスクリート版になりますが、抵抗、コンデンサ(キャパシタ)、コイル(写真はミニリレーとフィライトコアで、ノイズ対策のおまじないで使うコアにミニリレーの細い
コイルを巻き代えCTカレントトランスにする時のものです。)


理想と現実のコイル・コンデンサ・抵抗と現実のコイル・コンデンサ・抵抗について

・電気電子分野にでてくるタンスの種類

電気電子分野のタンス