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メンタルなモーター制御の世界

鉄道ネタの癖に、なんだかなあという話から始まります。
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仕事原因で精神疾患269人 労災認定 過去最多、自殺も66人 2009年6月9日(火)8時0分配信 産経新聞
 仕事のストレスなどが原因で鬱病(うつびょう)などの精神疾患を患ったとして、平成20年度に労災認定された人が269人となり、3年連続で過去最多を更新したことが8日、厚生労働省のまとめで分かった。年代別では20、30代が最も多いが、50代の増加も目立った。自殺(未遂を含む)を図った「過労自殺者」も高い水準で推移。厚労省は「厳しい経済情勢の中、過酷な労働を強いられている状況が読み取れる」としている。
 厚労省によると、20年度の精神疾患の労災申請は927人(前年度比25人減)で認定は269人(同1人増)。認定者のうち、自殺者は66人で、過去最高だった前年度の81人よりは減ったが、過去2番目の高い水準となった。
 認定者269人を年齢別で見ると、30代が74人と最多で20代が70人、40代が69人と若年層で多い。ただ、50代も前年度31人から43人に増え、増加率は約39%と全世代で最も高かった。
 1カ月の平均時間外労働は、20時間未満が69人と最多で、100~120時間が31人、120~140時間が24人だった。160時間以上の長時間勤務のケースも20人いた。ただし、精神疾患の場合は「上司からのいじめなど、時間以外の要因も大きい」(厚労省)という。
 職業別では製造業が最も多く50人。卸売・小売業48人、医療・福祉26人と続いた。
 一方、過剰な労働が原因で脳や心臓に疾患をきたして過労死した人も158人と過去2番目に多かった。過労死の認定数は17年度以降、減少傾向にあったが3年ぶりに上昇に転じた。
 厚労省は「19年度から、精神疾患の割合が脳・心臓疾患を上回っている。企業に対する指導や、メンタルヘルス対策の支援などを強化していきたい」としている。
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確かに、同じ仕事をするにしても、管理職とその下で働く人との認識が同じところと同じでないところはあるようです。だからいい上司と言う場合と有能な上司というのは一致しないどころか稀有だと私はおもっています。そうなると、確かに私達が上司と仕事をする際に、どのような指示系統をもって仕事をするか、またどのような権利委譲を持って仕事をするかということがいえましょう。
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日本の企業は権限委譲をすることを進めていますが、株主構成が特に一定のオーナーに偏っている場合は(子会社などの連結決算扱いを厳密に行なわない限り権限委譲ができないという側面もあります。つまり仕事を行なっていても細部に対する仕事指示の仕方で、部下が企業活動に誠意を出せなかったりという問題点は多いようです。
もっともこれだけの問題ではないともいえますが。
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電車のモーターと制御の関係に実は似た側面があると私は考えます。
古い電車は抵抗制御及びそれをベースにした制御手法が一般的でした。直流電動機+制御装置という形で、制御装置がエネルギーや保守の面からチョッパ制御や界磁添加励磁制御というおのおの革新的なものに移行していくのである。(交流向きというところでは、サイリスタ位相制御もこの中に入る)
では、まず、直流電動機について見ましょう。
* 出力特性は、始動時にもっとも大きなトルクを発生し、回転数の上昇に伴いトルクが減少し、回転力が増していく。これは電車だと動き出すときに大きな力を求めるから利にかなった特性である。制御を細かくしなくても広範な速度範囲に適応できる広い「特性領域」があるため、電気鉄道に適する。
* 「整流」でブラシや整流子の磨耗が起こる為、保守に手間がかかったり、高回転域では整流子が破壊する危険がある。このブラシ機構はフラッシュオーバーなどという重故障を起こす。またこの整流器は回転抵抗になるため電動機はエネルギー損失を生じさせる。(効率が70%程度)
* 理論的な無負荷運転速度は無限大だが、実用上は速度超過時の安全回路を設置などの配慮が必要。
つぎに制御方式について考えると、
抵抗制御:
* 電源電圧と電機子逆起電力の差電圧を起動抵抗器に負担させて許容電流内で起動させる方式である。起動時電流が許容最大値に収まることがモーターに必要である。電圧・電流を調整しながら運転する。
* 起動抵抗器を接続して始動し、回転速度の上昇につれ逆起電力が大きくなり差電圧が減るので抵抗を減らす。(これを自動的に行なう自動加速制御が一般的である)
* 電動機が複数ある場合省エネもあって、モーターを種々組み替える「直並列切換え」が併用される。
* 限流抵抗制御の終了後、定格速度を上げ加速力の減衰を抑えるために、弱界磁制御という電動機の界磁を調整(界磁をまで40%まで減らすなど)というモーター特性を変える手法により速度制御を行う。
これらの制御手法を電圧変動を電気回路で制御したり(電機子チョッパ・サイリスタ)少なくとも弱界磁制御のときだけでも効率化する(界磁チョッパ制御や界磁添加励磁制御)ということで省エネや、地下線で運転するときの発熱低下などを少なくする手法が増えた。
このように考えると、
* 直流(直巻)電動機という非常にタフで、電車の駆動に好適なモーターに駆動をまかせている。
* それをコントローラーで制御していくわけだが、その駆動状況は速度・電流を管理するしかできないわけで非常に大きな制御ループで成り立っている。
* 運転は非常に大きなループの元において細かい制御をすることができないグロスの段階での制御になる。電動機自体にちゃんと規定の保守体制を確保しておけば非常に信頼性が高い。
*制御因子は命令系統(制御装置)と実働部隊(モーター)が別々であって、おのおのの要素で最適化はされるが統合的なところは、これ以上はできない。

優秀な現場担当で、自分で自動的に制御をかけられる能力がある。確かに整流器(ブラッシ)がある分、メンテナンスのときに守るべき規定があるし、機械損失などを考えるとブラッシの存在は損失を生じさせているなど悩ましいものがあるが、暴れるなど職人らしさを感じ、気分や(発熱で性能がことなるなど)仕事はちゃんとしているというのがこれかなあ。
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今は3相モーターをインバータで駆動するものが一般的である。
VVVF制御はVariable Voltage Variable Frequencyといい、日本語では可変電圧可変周波数制御という。(英語圏ではvariable-frequency drive (VFD)ということが多い)交流電動機を可変速駆動するためのインバータの制御技術で、鉄道用にはかご形誘導電動機は構造簡単で堅牢、保守のコストが小、電動機価格も安い、のだが、回転速度が電源の周波数に依存するため、この手の使用は困難であった。インバータの出力電圧と周波数を連続的に変化させる可変電圧可変周波数制御が、交流電動機を連続的に速度制御することを実現した。
回転数の制御が事実上無段階で可能であるため、加速・減速時の衝動を軽減でき、粘着力の向上とそれによる動力軸数の減少や加減速性能の向上が可能である。 そこで電動車1両あたりの製造コストが若干上昇したとしても、編成全体では低コスト化が可能である。 実際の回転数が目標回転数から外れた場合にはトルクが低下するという誘導電動機の特徴から、空転時の再粘着性にも優れる。
ところが、このモーター自体の駆動パターンはすべて制御器側が、電圧・電流・周波数を指定してそれにあった形でプログラミングされた形で駆動が行われる。そして初期には変調毎に軽微なトルク変動が発生することで、粘着性能が悪いものもあったらしい。(この時期の車は、VVVFなのに登坂のさいにいきなり空転をするなど、予想外の問題をひきおこし、やむなくモーターを増やすことになる。国鉄製、JR東日本保有207系900番台電車、などその点で失敗したものもある)
更に、短時間であれば連続定格出力の150%といった過負荷での使用(短時間定格)も可能であり、鉄道用主電動機のような間欠運転が前提の用途であれば、同サイズの電動機でさらなる大出力化が可能である。 と考えられた。
ところが、もちろん短時間定格の段階で起動することが頻繁でないとしても、これが駅ごとに同じ事を起こすようだと、劣化は免れない。起動時でも電流が通常時の1.5倍になると、普通の場合40℃上昇するのが、単純には60℃上昇となる。そうなると、アレニウスの式とし、電子部品の最初の温度を40℃としていると、1.5倍の電流を一時的でも流すと1/2.25に寿命が低下する。これはモーターのワニスも同じことになるが、都合の悪いことにモーターの冷却は電動機に直結したファンでおおなうことを考えると(自己冷却構造)起動時には不回転速度がないファンからの冷却風は期待できないので更に温度条件を悪化させる。
この上に、直流モーターは構造上コイルなどに空隙が多かったのだが、かご形誘導電動機は小型で堅牢なものとして完成されていたため、モーターで自己発熱を起こすと、空隙がないため冷却がうまくいかないということがあったらしく、更にモーターワニスを劣化させるとか、IGBTなどの素子を悪くさせるとか、また初期のインバーターでは低速度のときの正弦波が形が理想的にならず無効電力が多くなるため、これまた低速時のモーターに発熱の付加をかけた。
そうなると、起動時に過負荷をかけてナンボなのが、VVVFインバータ制御ではあるのだが、それに関するマッティングが不十分な段階ではやはり過剰にモーターに関して負荷をかけることは「制御側の責任」でなされるものと考える。その意味で209系などは、モーターの出力を絞りすぎた(209系やE217系のモータ:定格出力が95kW。
ほぼ同世代のVVVF車ではJR西日本207系0番代:155kW、東急2000系:170kW、南海1000系(2代目、1~5次車、)が180kW。ただし主電動機の出力は、使用条件が明確に示されない限り、比較できないことは前提。)そして走行条件を極端に差がないとすると、電動機に対し多少VVVFの融通性を期待しすぎたことが、209の電装が意外と先にモーター・制御器から来たというのが納得できる。・・・というのは209でも京浜東北のように4M6Tにしたところ、E217のように時に4M7Tで走らせるところは、(走りこんでいることもあるが)初期の目標時期にモーターの劣化が顕在化してきたが、南武線(209系 6M2T) りんかい線(70-000系 6M4T)はそこまで問題になっていないのである。
その後、IGBTだと基底周波数を極めて高くできることから電動機に無効電力が少なくなる効果もあり、最近の電車の場合はモーターに対する過剰負荷は少なくなっているし、電磁音・電磁ノイズが低減(可聴域から離脱ともいえる)できたりするから、制御する側の質も高くなっているのも事実である。
もちろん209系やE217系は、かなり先駆的な設計をとっていたことから、決して劣った存在ではない。その後のVVVFの発達に関して明確な指針を与えていることから、一律に「やすもの」というのは無謀であると考えるべきである。設計工学では、廉価で性能はそこそこで、信頼性に劣る印象があるものを戦時設計と俗称する。事実戦争中に洋の東西を問わずおこなわれた行為で、アメリカのリバティ船が破損事故からの解析・改良を通じてその後の造船技術や溶接技術の向上に役立ったように、戦時設計での限界設計から技術革新がもたらされる場合がある。ドイツにおけるBR52型蒸気機関車、日本でもD51型蒸気機関車、EF13形電気機関車、モハ63系電車は「粗悪」といわれる反面、アグレッシブで忌避されていた工法を実行させる原動力となったため、意外とその後長く活躍した。このように、同等の機能、性能をより廉価で最適化実現する手法はバリューエンジニアリングといい、まさに209系は試作車(901系)とともに、当時の民営化直後のJRにとっては、その事業の進め方に功罪はあるのだが、生きるか死ぬかの『戦時』におけるテストベンチでもあったといえよう。(なおバリューエンジニアリングの端緒は他の説がある。)
さて、こうなると
優秀な現場担当であるが指示待ちのところがあり、与えられた要件に対してはきわめてむらなく忠実にはたらく。ところが運転のパターンなどがんばりすぎで自分で自動的に制御をかけられる能力が与えられていない。。確かにメンテナンスは少なく、機械損失などみすくない、忠実な僕であるが、制御機構が未熟であったり、運転のシーケンスや素子の波形のひずみがあたtりすると、文句もいわずに寝込んでしまい、自分でワニスを焦がしてしまう、忠実な作業者という感じで、親玉がいい指示を出さなかったり、間の抜けた指示をしてたりすると、モーターは内罰的行動に走り、モーター自身が焦げて、長い間に劣化が進むというのかなあと、思ってしまったのである。
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今は、工場では職人さんというものは少なくなっていて、現場の作業者(といっても機械を操作して作らせる)はオペレータということが多くなってきている。電車の制御方法がモーターの変化+制御手法の変化となったのが、省エネや社会環境の変化と改善と責任分担域の変化という製造現場の構成要素の変化と考えると、昨今の雇用情勢の変化に対応できずメンタルヘルスの問題が増えたのは、管理の考え方が細部まで管掌した結果、自己発熱でモーターのワニスやコントローラのコンデンサーや石の劣化ということで満身創痍となったのと、似てるところがあるのではと、悩んでいる。
けどねえ、電車の制御と、企業内の人事管理を一緒にする議論って、マニアらしいのか異様なのか類推が過ぎるのか・・・ええなんとでも言って下さい。(泣)

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