列車輸送システムの通信および制御データの送受信に
最 適 な 光ファイバ・ソリューション
White Paper
に、この電力変換プロセスには、DC－リンクや変換器などの装置が
必要です。
電動モータや電気システムに適した周波数と電圧を作り出す変換
器には、パワー・セミコンダクタ（IGBT、IGCTおよびGTO）のスイッチ
ングを制御する伝送媒体として、プラスチック光ファイバ(POF)やハ
ードクラッドシリカ(HCS)が使用されます。また、光ファイバ・ケーブ
ルは、DC-リンクや変換器において電圧と電流を保護するモニタリ
ング信号の送受信にも使用されています。
電気列車では、グリッド電力の高電圧を変圧器で低電圧に変換し
なければなりません。電気システムが故障した場合は、回路遮断器
がグリッドと列車を保護します。列車制御ユニットと変換器の距離
が遠い場合もあり、長距離伝送性能とEMI耐性を持つガラス光ファ
イバは、銅ケーブルよりはるかに優れたソリューションになります。
電力サブシステムや電力変換器は、高電圧と大電流で動作するた
め、変換器で生じた電磁界の影響を防ぐには、その制御線と通信線
をガルバニック絶縁しなければなりません。絶縁と電磁障害(EMI)
耐性は、高信頼性で安全で安定した列車の動作を保証するのに重
要な特性です。絶縁とEMI耐性を実現するために光ファイバ技術が
使用されており、それは、光ファイバが、ガルバニック絶縁とほぼ完
全な電磁障害耐性の両方を提供するからです。
図1. ディーゼル動力列車推進および補助電気変換器 図2. 電動列車推進および補助電気変換器
背景
列車は、世界で最も一般的な輸送システムの1つです。列車は、大
量の人と物を低CO
2
排出で輸送する高速で低コストの方法を提供
します。列車は、1両、または複数の機関車と車両の連結や、駆動
車両の連結のように多数のユニット組み合わせが可能です。今日
の列車は、通常、グリッド電力またはディーゼルを動力としていま
す。列車は、運転を自動的に制御して監視する先進のシステムによ
って、より高性能になってきました。そのような統合システムは、乗
客と貨物を円滑かつ安全に輸送します。このホワイトペーパーで
は、現代の列車システム設計が、どのようにして列車動力源、推進
システムおよび客車制御システムの高信頼性操作を可能にしてい
るかを述べています。
列車推進システム
最も一般的な今日の列車のエネルギー源は、電気とディーゼルで
す。これらの2つの列車タイプの主な違いは、列車に動力を供給す
る方法です。しかし、主なエネルギー源がグリッド電力やディーゼ
ル燃料発電であっても、エネルギー源から走行モータ用の推進力
や、搭載電気システム用の補助発電への電力変換プロセスはきわ
めて似ています。グリッド電力源とディーゼルエネルギー源を有効
な電力に変換するプロセスを図1と図2に示します。ディーゼル発
電機またはグリッド電力から生成された電力は、通常、そのままで
は走行モータや搭載電気システムに適していません。電力を適切
な電圧と周波数に変換する必要があります。図1と図2に示したよう
By Alek Indra
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通常、制御盤と変換器の距離は短く、多くの場合はPOFまたはハー
ドクラッドシリカ(HCS)ケーブルが使用されます。この用途では、一
般に、DC～5 MBdまたはDC～10 MBdのスイッチング速度が可能
な光ファイバ・トランスミッタおよびレシーバが使用されます。表1
に示されたように、アバゴ・テクノロジーのVersatile Link製品シリー
ズは、この用途に対応する最高のコスト効果と信頼性を持つソリュ
ーションを提供します。
列車中央コンピュータは、制御装置からより遠くに配置されること
があり、光信号をより長距離で送受信するマルチモード・ガラスファ
イバが選択されます。
列車通信システム
過去においては、列車内には多くの独自通信システムが使用さ
れ、このようなシステムでは、残念ながら相互接続は不可でした。
列車の通信アーキテクチャやプロトコルを規定するために、IEC
61375列車通信ネットワーク(TCN)規格が策定されました。一般
に、TCNは、ワイヤートレインバス(WTB)と多機能車両バス(MVB)
を規定しています。WTBは車両間を、MVBは車両内の機器または
車両群を接続します。
MVBでは、短距離にはRS-485、200mまでの距離には変圧器結合
ツイストペア線、2kmまでの長距離には光ガラスファイバのよう
に、3つのタイプの媒体から選択できます。このホワイトペーパー
では、一般に過酷な高電磁障害環境で使用される光ガラスファイ
バを使用したMVBについて考察します。光ガラスファイバやPOF
は、機関車環境の電気ノイズに対して高い耐性を持つため、多く
の場合において機関車に適した媒体です。光ファイバで、コントロ
ーラと、パワー・エレクトロニクス、モータ・コントローラ、ブレーキ、
ラジオなどの装置およびサブシステムを接続します。図3は、機関
車内の一般的なMVBレイアウトを示しています。
図4に示したように、MVBは、客車内の機器を接続して、照明、扉、
空調および乗客用ディスプレイを制御します。ネットワークの可
用性を高めるために、MVBは、冗長ラインによってバックアップさ
れ、装置は両方のラインで伝送します。一方のラインが故障した
場合に他方のラインを通信に利用することができます。
図3. 機関車内のMVBレイアウト
Figure 4. MVB layout in a coach
表1.列車推進、制御および監視システムに使用される一般的な
アバゴの光ファイバ部品
部品 データ転送速度 リンク距 離
AFBR-1629Z & AFBR-2529Z DC – 50MBd 50m (POF)
HFBR-1528Z & HFBR-2528Z DC – 10MBd
40m (POF)
200m (HCS)
HFBR-1521ETZ & HFBR-2521ETZ DC – 5MBd 20m (POF)
HFBR-1522ETZ & HFBR-2522ETZ DC – 1MBd 43m (POF)
HFBR-1414Z & HFBR-2416Z 20MBd 2700m (MM)
HFBR-57E5APZ 125MBd 2000m (MM)
AFBR-5972Z 125MBd 50m (POF)
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図5. MVBの光ファイバ構成
MVBを光ファイバで構築する場合、図5に示すように、1つのバ
スに最大4095台の装置が接続されるため、信号品質を復元す
るためにスターカプラが使用されます。MVBデータ転送速度は
1.5Mbpsに固定されているため、アバゴ・テクノロジーのHFBR-
1412ZトランスミッタおよびHFBR-2412Zレシーバ光ファイバ部品
によって容易に処理することができます。
図6. 静止周波数変換装置
電気グリッド駆動列車向け周波数変換装置
グリッド電力は、50Hzまたは60Hzの三相交流です。この電気は、
グリッド電力線電圧より低い電圧の16.7Hzまたは25HzのAC電源
を必要とする列車に電力供給するのに適していません。グリッド
電力線からの電気を適切な電圧と周波数に変換する必要があり
ます。そのためには、電力変換装置、変圧器、回路遮断器などの設
備が必要です。図6は、ひとつの静止周波数変換装置の概念を示し
ます。この設備は、高電圧から中間電圧で動作し、コントローラと
設備の間にガルバニック絶縁が必要です。このため、アバゴ・テク
ノロジーは、データをPOFおよびマルチモード・ガラスファイバ・ケ
ーブルで送受信する製品と共に、短距離リンクと中距離～長距離
リンクの要件を満たす完全な光ファイバ製品群を提供します。表2
は、発電と配電網に使用されるアバゴ・テクノロジーの部品のいく
つかを示します。
牽引電力およびグリッド電力品質
グリッド電力列車では、列車のAC電力線に電力供給するために
三相交流グリッド電力線から単相電力が得られます。これによりグ
リッドが不平衡になり、グリッドを補正しなければなりません。
グリッド電力の電力品質を平衡にして回復させる最も一般的な
方法のひとつは、静止型無効電力補償(SVC)を使用することで
す。SVCは、図7に示したように、サイリスタスイッチドキャパシタ
(TSC)とサイリスタ制御リアクタ(TCR)を使用して不平衡負荷を補
正します。TSCとTCRは、高電圧と大電流で動作しオン/オフしま
す。これにより、きわめて強い電磁界が生じ、近くの銅線に電気ノ
イズを誘導します。光ファイバ・ケーブルは、電磁界の影響を受け
ず、SVCシステム装置に制御信号を送るには最良の媒体です。
図7. 静止型無効電力補償(SVC)ブロック図
表2. 発電と配電に使用されるアバゴ・テクノロジーの光
ファイバ部品
部品 データ転送速度 リンク距 離
AFBR-1629Z & AFBR-2529Z DC – 50MBd 50m (POF)
HFBR-1528Z & HFBR-2528Z DC – 10MBd
40m (POF)
200m (HCS)
HFBR-1521ETZ & HFBR-2521ETZ DC – 5MBd 20m (POF)
HFBR-1522ETZ & HFBR-2522ETZ DC – 1MBd 43m (POF)
HFBR-1414Z & HFBR-2416Z 20MBd 2700m (MM)
HFBR-57E5APZ 125MBd 2000m (MM)
AFBR-5972Z 125MBd 50m (POF)
References
2. Schäfers, C.; Hans, G. “IEC 61375-1 and UIC 556 - International
Standards for Train Communication.” IEEE, 2000.
1. Bonsen, G.A. zur. “The Multifunction Vehicles Bus (MVB).” IEEE.
まとめ
近年、エネルギー価格の上昇に直面し、乗客と物品を低コストで
輸送できる列車の人気が高まっています。列車技術の進歩によっ
て、自動制御監視システムは、動作と制御が確実で乗客に便利な
システムを実現しています。その結果、列車の運転が円滑で高信
頼性になりました。
IEC 61375は、列車設備ベンダー間の相互運用を保証する標準の
列車通信アーキテクチャおよびプロトコルを規定しています。この
規格では、長距離リンクおよびMVBが動作する高電磁気環境での
用途に光学ファイバを使用しています。
他の列車システム用途でも、光学ガラスおよびプラスチック・ファ
イバが使用されています。例えば、変圧器や回路遮断器のような
配電設備の制御と監視、推進および補助変換器ならびに周波数
変換装置のIGBT、IGCTまたはGTOのオン・オフなどです。光ファイ
バケーブルが銅ケーブルより優れている点は、電磁障害に対する
本質的な耐性と固有のガルバニック分離によるものです。したが
って、光ファイバは、多くの場合、通信および制御データを送受信
する最良の媒体として選択されます。アバゴ・テクノロジーは、最先
端技術の列車および機関車用途に対応した光ファイバ・ソリュー
ションを提供します。
製品、販売代理店、その他の情報は当社のウェブサイトをご覧下さい。 www.avagotech.co.jp
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AV02-2378JP - September 20, 2012
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