DE3235107A1

DE3235107A1 - Energiespeichersystem fuer elektrische schienenfahrzeuge oder eisenbahnen

Info

Publication number: DE3235107A1
Application number: DE19823235107
Authority: DE
Inventors: Toshimi Suita Osaka Kawamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-09-25
Filing date: 1982-09-22
Publication date: 1983-04-14
Also published as: JPS6135011B2; DE3235107C2; US4523059A; JPS5853523A

Description

Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge

oder Eisenbahnen

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen, das mit einem Energieversorgungssystem verbunden ist, um die elektrischen Fahrzeuge der elektrischen Eisenbahn mit elektrischer Energie zu versorgen, und bei denen ein Motor-Generator und ein Schwungrad gekoppelt sind.

Hinsichtlich des Aufbaus von Systemen der oben angegebenen Art sind bisher, wie in Figur 1 dargestellt, verschiedene Konstellationen vorgeschlagen worden, nämlich (a) ein Fall, wo eine Energiespexchervorrxchtung 3a für elektrische Fahrzeuge entlang einer oder in der Nähe von einer Energie-Unterstation 2A angeordnet ist, die als Unterstation zur Gleichrichtung von üblicher Wechselspannungsenergie in Gleichspannungsenergie angegeben ist, (b) ein Fall, wo eine Energiespeichervorrichtung 3b sich in der Mitte zwischen einer Energie-Unterstation 2A und einer Energie-Unterstation 2B befindet, und (c) ein Fall, wo eine Energiespeichervorrichtung (3c) anstatt einer Energie-Unterstation 2B am hinteren Ende einer Oberleitung 1 angeordnet ist, wel-

^QW ehe das Energieversorgungssystem bildet. In der Tat werden auch Maßnahmen zwischen den Fällen (a), (b) und (c) sowie Anordnungen mit kombinierten Fällen dieser Art realisiert. Die Energiespeichervorrichtung besteht aus einem Motor-Generator 4, einem Schwungrad 5 und einer Steuerung 6, die

an den Motor-Generator 4 angeschlossen sind. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet ein elektrisches Fahrzeug oder einen Zug, der fährt.

32351 UV

-η

Elektromobile, die z.B. mit Zerhackern gesteuert werden, werden in den letzten Jahren in großem Umfang verwendet, um den Energieverbrauch bei Elektrofahrzeugen zu verringern, und sie haben die Eigenschaft, daß sie in der Lage sind, während des Bremsens eine Energieregenerierung oder -rückkopplung vorzunehmen. Der Betrieb der Energiespeichervorrichtung der oben angegebenen Art ist manchmal für die Speicherung der regenerierten oder rückgekoppelten Energie beabsichtigt, und manchmal für das sogenannte "Abschneiden von Spitzen", um den Einfluß von hoher Energie auf die Unterstation zu verringern, wobei die hohe Energie üblicherweise während des Startens oder der Beschleunigung der elektrischen Fahrzeuge erforderlich ist. Diese Betriebsarten können durch Steuerung des Motorgenerators gewählt werden. Auf jeden Fall ist die Verringerung der Verluste aufgrund des Betriebes der Energiespeichervorrichtung ein technisches Thema und Problem, und es sind verschiedene Lösungen untersucht und vorgeschlagen worden. Die herkömmlichen Verfahren zur Verringerung der Verluste sind jedoch immer noch Gegenmaßnahmen bei der Energiespeichervorrichtung selbst.

Genauer gesagt, die Verluste, die aufgrund der Rotation des Schwungrades 5 auftreten, sind hauptsächlich Verluste, die dem Reibungswiderstand mit der Umgebungsluft zuzuschreiben sind, sowie Verluste, die der Reibung des Kontaktes zwischen dem Schwungradkörper und einem Schmiermittel oder Metall in einem Lager zur Lagerung von ersterem zuzuschreiben sind. Um diese Verluste zu verringern, wird ^ entsprechend den Gegenmaßnahmen die Vorrichtung entlüftet und im Vakuum untergebracht, und das Lager erhält kleine Größenabmessungen, um den Lagerverlust zu reduzieren, wobei die unzureichende Komponente der Lastkapazität des Lagers durch Magnetlager oder dergleichen aufgefangen wird, die keine Verluste hervorrufen. Die Verbesserung der Ausbildung des Schwungrades 5 selbst kann auch als wichtige Maßnahme zur Verringerung von Verlusten angesehen werden.

BAD ORIGINAL

Sämtliche obagen Vorschläge sind -jedoch technische Maßnahmen innerhalb der Energiespeichervorrichtung selbst. Die derzeitige Situation ist so, daß irgendwelche Versuche zur Verringerung der Verluste unter den Gesichtspunkten des Betriebes der Energiespeichervorrichtung und des Services der elektrischen Eisenbahn bisher nicht vorgeschlagen worden sind.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen anzugeben, bei dem die Verluste, die in einem Energiespeichersystem bei fahrenden elektrischen Fahrzeugen auftreten, in wirksamer Weise verringert werden und zusätzlich die Verluste der Vorrichtung selbst durch herkömmliche Maßnahmen auf ein Minimum gebracht werden, so daß sämtliche Verluste, die innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne auftreten, reduziert werden können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen anzugeben, bei dem die Speicherung der elektrischen Energie beim Abtasten der Annäherung eines elektrischen Fahrzeugs an einem speziellen Ort gestartet wird, und die elektrische Energie kann abgegeben oder entladen werden, wenn sie von dem elektrischen Fahrzeug benötigt wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen anzugeben, bei dem die Speicherung und Entladung von elektrischer Energie durchgeführt werden, indem spezielle Zeiten oder vorgegebene Zeitzonen entsprechend einem Zugfahrplan gewählt werden.

Zur Realisierung der obigen Aufgabe wird gemäß der Erfindung ein Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen angegeben, bei dem die Zeitspanne der hohen Rotationsgeschwindigkeit so kurz wie mög-

lieh gemacht wird, und zwar unter Berücksichtigung der Tatsache, daß im allgemeinen die Verluste einer Vorrichtung, die Energie mechanisch durch Rotation speichert, bei zunehmender Rotationsgeschwindigkeit ansteigen und beim Abnehmen wieder absinken.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in 10

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Anordnungen von herkömmlichen Energiespeichersystemen für elektrische Eisenbahnen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Betriebswellenformen einer Energiespeichervorrichtung;

Fig. 4 ein Schaltbild zur Erläuterung der Steuerung der Energiespeichervorrichtung, die eine Abtasteinrichtung für elektrische Fahrzeuge verwendet, wobei die Steuerung auf die Ausführungsform gemäß

Fig. 2 anwendbar ist; und in

Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Steuerung einer Energiespeichervorrichtung auf der Basis des Fahrplans für die elektrischen Fahrzeuge, wobei die Steuerung bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 verwendbar ist.

In der nachstehenden Beschreibung werden durchgehend ^ΰΟ gleiche Bezugszeichen für gleiche oder äquivalente Komponenten verwendet. Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Ausführungsform in Fig. 2 näher erläutert.

-c-C

Eine Energiespeichervorrichtung 13, die an der richtigen Stelle einer Oberleitung 11 installiert ist, ist aus einem Motorgenerator 14, einem Schwungrad 15 und einer Steuerung 16 wie bei einer herkömmlichen Anordnung aufgebaut. Ein Detektor 18 für elektrische Fahrzeuge ist am Eingangsende eines Fahrbereiches angeordnet, der sich in einem Abstand d von der Energiespeichervorrichtung 13 längs der Oberleitung 11 befindet. Das Bezugszeichen 17a bezeichnet ein elektrisches Fahrzeug oder einen Zug, der sich der Energiespeichervorrichtung 13 nähert, während das Bezugszeichen 17b ein elektrisches Fahrzeug oder einen Zug bezeichnet, der in der Nähe der Energiespeichervorrichtung 13 angekommen ist und sich an einem Ort befindet, wo er mit Energie von der Energiespeichervorrichtung 13 versorgt wird. Die Energie wird in der Energiespeichervorrichtung 13 gespeichert unmittelbar bevor das elektrische Fahrzeug 17b die Energie benötigt oder anfordert. Außerdem ist eine Zeitspanne in dem Maße erforderlich, um die Belastung des Energieübertragungsnetzwerkes auf ein Minimum zu bringen.

Dementsprechend ist der Detektor 18 für elektrische Fahrzeuge für die Funktion der Steuerung der Energiespeichervorrichtung 13 durch ein Signal ausgebildet und vorgesehen, das dem richtigen Abstand auf der Fahrstrecke der elektrischen Fahrzeuge entspricht. Genauer gesagt, die Energiespeichervorrichtung 13 wird von der Steuerung 16 auf der Basis des Signals von dem Detektor 18 für elektrische Fahrzeuge in der Weise gesteuert, daß die Energiespeicherung zu einem Zeitpunkt gestartet werden kann, in dem das elektrische Fahrzeug 17a den Ort des Detektors 18 für elektrische Fahrzeuge passiert hat, und daß die Energie entladen und dem elektrischen Fahrzeug zugeführt werden kann, wenn der Ort von 17b erreicht worden ist.

Im Hinblick darauf wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Das Ausgangssignal des Detektors 18 für elektrische Fahrzeuge wird einem Referenzspannungsgenerator 164 der Steuerung 16 übermittelt. Eine Recheneinheit 165 erhält eine Referenz-

spannung vom Generator 164, ein Spannungssignal 163 und ein Stromsignal 162 der Oberleitung 11 sowie ein Ausgangssignal von einem Tachometergenerator 161. Ein berechnetes Ausgangssignal von der Recheneinheit 165 wird einer Τήνο ristorschaltung oder Thyristor-Vorrichtung übermittelt/ welche die Erregung einer Feldwicklung 141 des Motorgenerators 14 steuert.

Auf diese Weise kann die Energiespeichervorrichtung 13 die notwendige Energie bei Bedarf speichern, so daß Verluste, die innerhalb des Körpers der Energiespeichervorrichtung 13 auftreten, auf ein Minimum heruntergedrückt werden können.

Andererseits werden bei herkömmlichen Systemen gemäß Fig. 1, bei denen die Positionsinformation der elektrischen Fahrzeuge nicht berücksichtigt wird, nur die Oberleitungsspannung und der Oberleitungsstrom als Eingangssignale für Steuersignale verwendet. Somit wird der Zeitpunkt, in dem die Leitungsspannung hoch ist, als Zeitpunkt beurteilt, in dem die elektrischen Fahrzeuge selten fahren, und es wird dafür gesorgt, daß die Energiespeichervorrichtung immer mit maximalen Speicherkapazität in Bereitschaft steht, nämlich mit der höchsten Rotationsgeschwindigkeit. Dies wird nachstehend anhand von Fig. 3 näher erläutert. In Fig. 3 bezeichnet die Ordinatenachse den Energieverbrauch (Energiespeicherung - Energieentladung), während die Abszissenachse die Zeit angibt. Wie mit der Kurve 31 in Fig. 3 angegeben, wird die Energie wesentlich früher gespeichert als die Annäherung des elektrischen Fahrzeuges erfolgt, so daß der Verlust der Vorrichtung groß wird, wie es mit der geraden Linie 32 angedeutet ist. Wenn im Gegensatz dazu die Positionsinformation des elektrischen Fahrzeuges richtig erhalten wird, wird die Speicherung'der Energie bei Bedarf gestartet, und die Energie wird unmittelbar nach der Energiespeicherung entladen und verbraucht, wie es mit der Kurve 3 3 angedeutet ist, so daß der Verlust einen Wert er-

hält, wie er mit der geraden Linie 34 angegeben ist, und der Verlust des gesamten Systems kann erheblich reduziert werden.

Genauer gesagt, wenn die Oberleitungsspannung im Falle von seltenen Zugfahrten angestiegen ist, beginnt die Energiespeicherung zu einem Zeitpunkt t,. Auch wenn die Energiespeicherung zu einem Zeitpunkt t₂ geendet hat, wird das elektrische Fahrzeug nicht immer kommen. Nehmen wir an, daß t, der Zeitpunkt ist, zu dem die Energie tatsächlich benötigt wird, so wird die Energie während der Zeitspanne von t- bis t, gespeichert gehalten. Da die Energiespeichervorrichtung als Rotationsmaschine ausgebildet ist, sind die mechanischen Verluste in der Zwischenzeit hoch.

Um diese Verluste zu verringern, muß die Zeitspanne t~ bis t, verkürzt werden. Beispielsweise wird der Zeitpunkt, zu dem der Energiespeicherbetrieb startet, auf t,¹ gesetzt, damit ein Zeitpunkt, der dem Zeitpunkt t„ entspricht, den Wert t_' haben kann, der unmittelbar vor dem Zeipunkt t₃ liegt. Dann wird während der Zeitspanne t, bis ti'/ die der Beendigung der Energiespeicherung vorausgeht, das die Energiespeichervorrichtung bildende Schwungrad sich im Zustand niedriger Geschwindigkeit befinden, so daß die mechanischen Verluste der Rotationsmaschine gering sind. Um (Jen Zeitpunkt t. ' zu finden, tastet die oben angegebene Ausführungsform die Position des elektrischen Fahrzeugs mittels des Detektors 18 für elektrische Fahrzeuge ab.

Außerdem erfolgt die Bedienung der elektrischen Fahrzeuge °® entsprechend einem vorgegebenen Fahrplan. Somit wird der Fahrplan in einem Computer 19 gespeichert, und ein Energiespeicherungs-Steuersignal wird unter Verwendung einer Betriebszeit-Steuereinheit 20 geliefert, das vorher unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Gegebenheiten bestimmt ° wird. Somit kann die Gesamtwirksamkeit der Energiespeichervorrichtung 13 noch mehr verbessert werden. Die optimale Energiespeichermenge kann auch geliefert werden, indem man

die Funktion der Unterscheidung oder Sortierung der elektrischen Fahrzeuge hinzufügt.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung der Betriebszeit-Steuereinheit b 20 zur Ausführung der obigen Operation. Der Inhalt des Fahrplans der elektrischen Fahrzeuge ist im Computer 19 gespeichert. Eine Leseeinheit 21 liest die Zeit und die Art eines Zuges, z.B. besonders schnell, schnell oder normal, in einem vorgegebenen Fahrbereich, und sie überträgt die Lesesignale. Eine Recheneinheit 23 führt Berechnungen auf der Basis der obigen Signale und eines Zeitsignals von einer Uhr oder einer Takteinheit 22 durch und liefert ein Ausgangssignal hinsichtlich der Energiespeicherzeit und der Energieentladezeit. Das Ausgangssignal wird von einem Wandler 24 in ein Steuersignal umgewandelt, das an die Steuerung 16 angelegt wird.

Die oben beschriebene Vorrichtung, die als Steuerung des Motorgenerators arbeitet, ist im wesentlichen im Hinblick auf die Verbesserung der Effizienz beschrieben worden. Die

meisten Energiespeichervorrichtungen in der praktischen ' Verwendung haben die Tendenz, daß die inneren Verluste stärker zunehmen, wenn die Menge der Energiespeicherung größer wird. Im Hinblick auf diese Steuerung ist eine Technik ähnlich der oben beschriebenen anwendbar und in hohem Maße wirksam.

Die Vermeidung von verschwenderischer Speicherung von Energie führt zur Vermeidung von nutzlosem Energieverbrauch.

Außerdem führt eine große Menge von Energiespeicherung im allgemeinen zu einer Erhöhung der Belastungen im Inneren der Vorrichtung. In dieser Hinsicht erhöht die Erfindung die Belastung und Beanspruchung innerhalb der Vorrichtung nicht. Dementsprechend ist sie auch wirksam im Hinblick

"" ° auf die Erleichterung der Wartungsvorgänge der Vorrichtung und der Verlängerung der Lebensdauer der Anordnung.

Außerdem kann gemäß der Erfindung, wenn die Kapazität der Energiespeichervorrichtung ausreichend groß gemacht wird, die Energie-Unterstation durch die Vorrichtung ersetzt werden. Auch an einem Ort, wo überhaupt keine Energieübertragungsleitung existiert, wird durch richtiges Speichern von Energie aus einer Oberleitung in die Vorrichtung diese Vorrichtung arbeiten, als ob eine Energiestation dort existiert. Insbesondere auf einer Strecke mit geringer Zugdichte kann die Vorrichtung daher stets als Energie-Unterstation verwendet werden.

Wie oben im einzelnen erläutert, wird gemäß der Erfindung die Zug- oder Eisenbahninformation in die Steuerung der Speicherung und Entladung von elektrischer Energie eingeführt. Somit wird die Gesamtwirksamkeit und Leistungsfähig keit des Systems verbessert, ohne in verschwenderischer Weise die elektrische Energie zu speichern, und der Energieeinsparungseffekt wird vergrößert. Außerdem werden gemäß der Erfindung ausgezeichnete Wirkungen im Hinblick auf die Wartung und die Lebensdauer erreicht.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1./Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen, gekennzeichnet durch einen Motorgenerator (14), der an ein Energieversorgungssystem zur Versorgung von elektrischen Fahrzeugen (17a, 17b) mit elektrischer Energie angeschlossen ist, durch ein Schwungrad (15), das mit dem Motorgenerator (14) verbunden ist, und durch eine Steuerung (16), die es dem Motorgenerator (14) ermöglicht, elektrische Energie zu speichern und anschließend wieder abzugeben, und zwar in Abhängigkeit von der Ankunft eines elektrischen Fahrzeugs (17a) in einem vorgegebenen Fahrbereich und seiner Fahrt in diesem Bereich.

2. Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen, gekennzeichnet durch einen Motorgenerator (14), der an ein Energieversorgungs-

^BAD

system für die Versorgung von elektrischen Fahrzeugen (17a, 17b) mit elektrischer Energie angeschlossen ist, durch ein Schwungrad (15), das an den Motorgenerator (14) angeschlossen ist, durch einen Detektor (18) für elektrische Fahrzeuge, der längs einer Oberleitung (11) für die Versorgung der elektrischen Fahrzeuge (17a, 17b) mit elektrischer Energie angeordnet ist und die Ankunft eines elektrischen Fahrzeugs (17a) in einem vorgegebenen Fahrbereich abtastet, und durch eine Steuerung (16), die es dem Motorgenerator (14) ermöglicht, die elektrische Energie zu speichern und anschließend wieder abzugeben, und zwar in Abhängigkeit von der Annäherung des elektrischen Fahrzeugs (17a) an den vorgegebenen Fahrbereich und seiner Fahrt in diesem Bereich.

3. Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen, gekennzeichnet durch einen Motorgenerator (14), der an ein Energieversorgungssystem zur Versorgung von elektrischen Fahrzeugen (17a, 17b) mit elektrischer Energie angeschlossen ist, durch ein Schwungrad (15), das an den Motorgenerator (14) angeschlossen ist, und durch eine Steuerung (16, 20), die es dem Motorgenerator (14) ermöglicht, die elektrische Energie zu speichern und anschließend wieder abzugeben, und zwar in Abhängigkeit von der Ankunft des elektrischen Fahrzeugs (17a) in einem vorgegebenen Fahrbereich und seiner Fahrt in diesem Bereich sowie auf der Basis einer Zeit, die aus einem Fahrplan (19, 20) der

elektrischen Fahrzeuge (17a, 17b) gewählt wird. 30