JP2016540925A - コンプレッサシステムおよび軌道車両の動作状態に応じて該コンプレッサシステムを作動する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、軌道車両用のコンプレッサシステムに関する。このコンプレッサシステムは、少なくとも１つの圧縮空気タンク（４）のために圧縮空気を発生させるコンプレッサ（３）を含み、コンプレッサ（３）は、電気機械装置（１）により駆動軸（２）を介して駆動され、電気機械装置（１）は、この電気機械装置（１）を最大回転数（ｍ）と最小回転数（ｉ）との間の少なくとも１つの定格回転数（ｎ）で駆動するために、少なくとも間接的に制御装置（５）を介して制御可能であり、さらにこの場合、コンプレッサ（３）の下流に設けられた圧縮空気搬送管路（６）内に、制御装置（５）のために圧力を測定する少なくとも１つの圧力センサ（７）が配置されている。本発明によれば、電気機械装置（１）の回転数を連続的に制御するために、給電装置（１５）と電気機械装置（１）との間に調整部材（８）が配置されており、この調整部材（８）の制御は制御装置（５）を介して行われる。さらに本発明は、本発明によるコンプレッサシステムの制御方法にも関する。この場合、軌道車両の動作状態に応じて、最大回転数（ｍ）と最小回転数（ｉ）の間においていずれかの中間値をとる可変の回転数により、コンプレッサ（３）を駆動する。

Description

本発明は、軌道車両用のコンプレッサシステムに関する。このシステムは、少なくとも１つの圧縮空気タンクのために圧縮空気を発生させるコンプレッサを含み、このコンプレッサは、電気機械装置により駆動軸を介して駆動される。この場合、電気機械装置は、この電気機械装置を最大回転数と最小回転数との間の少なくとも１つの定格回転数で駆動するために、少なくとも間接的に制御装置を介して制御可能であり、さらにこの場合、コンプレッサの下流に設けられた圧縮空気搬送管路内に、制御装置のために圧力を測定する少なくとも１つの圧力センサが配置されている。さらに本発明は、本発明によるコンプレッサシステムの制御方法にも関する。

発明の背景
軌道車両のコンプレッサに対しては、部分的に相容れない多様な要求が課され、たとえば高い供給能力、十分なスイッチオン期間、小さい音響放出、少ないエネルギー消費、小さい組み込みスペース、ならびに小さい仕入れ費用およびライフサイクルコストなどが要求される。この場合、軌道車両の動作状態に応じて、コンプレッサに対しそれぞれ異なる強さの要求プロフィルが存在する。コンプレッサを設計する際に提起される典型的な問題は、軌道車両のすべての動作状態で許容可能な最善の妥協点を、これらの要求の間において見出すことである。一般に軌道車両においては、電気的に駆動されるコンプレッサが用いられる。コンプレッサは、スイッチオン／スイッチオフ動作中、下方のスイッチオン圧力と上方のスイッチオフ圧力との間において、一定の回転数いわゆる定格回転数で駆動される。コンプレッサは、予め定められた充填時間が達成されるようにし、動作中、最小スイッチオン期間を下回らないように、その仕様が選定される。

一般的に知られている従来技術から明らかであるのは、軌道車両の種々の動作状態間で、コンプレッサの動作は異ならない、ということである。この場合、冷却システムのファンは、コンプレッサと同じ動作管理体制下におかれる。その理由は、ファンは一般的にコンプレッサにより直接、いっしょに駆動されるからである。

充填フェーズ中、コンプレッサは定格回転数で駆動される。定格回転数は、コンプレッサが持続動作で駆動可能であるように選定されている。さらにコンプレッサの構造サイズは、路線区間動作中、最小スイッチオン期間を下回らず、かつ、最大充填時間を上回らないように、選定されている。路線区間動作中、コンプレッサは断続的に駆動される。この場合、コンプレッサは、圧縮空気タンク内の圧力がスイッチオン圧力まで降下すると、始動される。圧縮空気タンク内の圧力がスイッチオフ圧力に達すると、コンプレッサはただちに定格回転数で駆動される。スイッチオフ圧力に達するまで、コンプレッサはスイッチオフされ、スイッチオン圧力まで圧力が降下してはじめて、新たに始動される。電気的に駆動される軌道車両の場合、制動フェーズ中、駆動モータはダイナミックブレーキとして使用される。その際に電気エネルギーが発生するが、この電気エネルギーを電源に帰還させるのは経済的でないことが多く、または一部では不可能である。軌道車両が駅に停車しているステーション動作中も、コンプレッサは走行中と同様に断続的に駆動される。この場合には顕著な走行騒音が発生していないことから、コンプレッサとファンの音響放出を避けたいところではあるが、駅では乗客の乗り降りがあるため、空気ばねが要求する空気が増加することから、そのことにより駅に停車中、コンプレッサとファンのスイッチオンが、ひいては望ましくない音響放出が、頻繁に発生することになる。しかも軌道車両は、特に近距離交通の場合には、たとえば凍結防止などのために、しばしば住宅区域の近くで運転状態のまま停車させられる。その際には、音響放出を可能なかぎり避けなければならない。また、圧縮空気タンク内の圧力が、漏れに起因して一晩に何回もコンプレッサの下方スイッチオン圧力に達するので、追加充填が必要になり、コンプレッサは定格回転数で断続的に駆動される。さらにコンプレッサの音響放出以外にも、他の騒音たとえば空気乾燥機の煩い換気騒音なども発生する。

発明の概要
したがって本発明の課題は、コンプレッサシステムおよびコンプレッサシステムの作動方法を、コンプレッサシステムの作動するエネルギーが実質的に節約され、かつコンプレッサシステムの音響放出が低減されるように、最適化することにある。

この課題は、装置に関しては、請求項１の上位概念記載のコンプレッサシステムを前提として、請求項１の特徴部分に記載された構成によって解決される。さらに上記の課題は、方法に関しては、請求項３の特徴によって解決される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態が記載されている。

本発明によれば、電気機械装置の回転数を連続的に制御するために、給電装置と電気機械装置との間に調整部材が配置されており、この調整部材の制御は制御装置を介して行われる。換言すれば、調整部材は、電力の流れにおいて電気機械装置の上流に配置されており、つまりは電気機械装置の前段に接続されている。この調整部材によって、電気機械装置を種々の回転数で駆動することができる。このためには特に、周波数変換器またはインバータが適している。周波数に応じて、電気機械装置の回転数ひいてはコンプレッサの動作が整合される。

好ましくは制御装置は、コンプレッサの下流に設けられ冷却ファンを備えた冷却ユニットを、少なくとも間接的に制御し、その際、冷却ファンの回転数を制御装置により連続的に調整することができる。このため冷却ユニットには、好ましくは調整部材が組み込まれている。別の選択肢として、調整部材を冷却ユニットの少なくとも前段に接続することも考えられる。

方法に関して、軌道車両の動作状態に応じて、最大回転数と最小回転数の間においていずれかの中間値をとる可変の回転数により、コンプレッサが駆動される。冷却ユニットは、直接的にも間接的にもコンプレッサとは接続されていないことから、冷却ユニットは別個に制御され、つまりは冷却ファンの回転数は別個に調整される。有利には、コンプレッサと冷却ファンをスイッチオフすることもできる。これによれば、コンプレッサはたしかに動作状態のままではあるが、圧縮空気を搬送せず、またはごく僅かな圧縮空気量だけしか搬送しない。

好ましくは、軌道車両の充填動作中、コンプレッサは最大回転数で駆動される。コンプレッサの回転数を最大回転数まで上昇させることは、発生する頻度が少なく時間的制限のある充填動作のために、特に有利である。なぜならば、このようにすることで充填時間が短縮されるからであり、しかもより小さく、より軽量であり、ひいては組み込みスペースを節約するコンプレッサを使用できるようになるからである。このためコンプレッサの充填動作中は、コンプレッサの最大出力が優先される。したがって、コンプレッサにより最大体積の圧縮空気を発生させることにより、最小の充填時間が達成される。

特に好ましくは、軌道車両の路線区間動作中、コンプレッサは、最小回転数よりも僅かに大きい可変の回転数で駆動され、少なくとも１つの圧縮空気タンク内の空気圧力は、スイッチオン圧力よりも僅かに高くなるように調整される。換言すれば、圧力センサを介して圧力推移を監視することができ、それによって少なくとも１つの圧縮空気タンク内の空気圧力が、ほぼ一定に保たれるように調整され、コンプレッサのスイッチオン圧力を好ましくは１／１０〜２／１０ｂａｒ超えた圧力に調整される。少なくとも１つの圧縮空気タンク内の空気圧力をほぼ一定に維持する目的で、目下の圧縮空気消費に応じて、電気機械装置の回転数つまりはコンプレッサの回転数を変化させる。このため、コンプレッサの路線区間動作中は、コンプレッサの最大エネルギー節約が優先され、これは少なくとも最小回転数を用いたコンプレッサの可変の動作により達成される。したがって、スイッチオン圧力よりも僅かに大きい空気圧力を生じさせるために、少なくとも１つの圧縮空気タンク内で必要とされる程度の量の圧縮空気が、コンプレッサにより形成される。

このことから有利であると判明したのは、少なくとも１つの圧縮空気タンク内の背圧を僅かにすることにより、エネルギー消費を低減し、いっそう大切に扱われるようにコンプレッサを駆動することである。さらにその結果、コンプレッサの動作温度が低くなり、そのことでコンプレッサの冷却もいっそう僅かになる。さらに、コンプレッサの出口において圧縮空気の温度が、所期の温度範囲内でできるかぎり低くなるように、冷却ユニットの冷却ファンが駆動される。このことにより、圧縮空気において液状の水分の割合が多くなり水蒸気の割合が少なくなる、という利点が得られる。液状の水分はプレセパレータで分離することができるのに対し、水蒸気は空気乾燥機で分離される。したがって乾燥手段に入る水分量が低減され、それによって再生のために必要とされる圧縮空気の割合が小さくなる。

本発明には、以下の技術的教示が含まれる。すなわち、軌道車両の制動動作中、コンプレッサは、定格回転数と最大回転数との間の回転数で駆動されて、少なくとも１つの圧縮空気タンクに対し、コンプレッサの少なくともスイッチオフ圧力まで、ただし最大で最大超過圧力まで、圧縮空気が供給され、コンプレッサは、早ければスイッチオフ圧力に達した後、ただし遅くとも最大超過圧力に達した後、定格回転数と最小回転数との間において、可変の回転数で駆動される。換言すれば、少なくとも１つの圧縮空気タンクを完全に充填するために利用可能な電気エネルギーが使用される。ついでコンプレッサの回転数は、最小回転数よりも上の領域に戻され、制動フェーズが終了するまで、予め規定された最大圧力が少なくとも１つの圧縮空気タンク内で維持される。これによって、制動フェーズ中の電気エネルギーが内部で利用されるという利点が得られ、エネルギーの節約が実現される。その理由は、電源への電気エネルギーの帰還は、いつでも可能というわけではないからである。したがってコンプレッサの制動動作中は、コンプレッサの最大のエネルギー回生が優先される。このことは特に、制動動作の間、少なくとも１つの圧縮空気タンクに圧縮空気を最大限に供給し、少なくとも１つの圧縮空気タンク内で最大超過圧力を維持することによって達成される。

特に好ましくは、制動動作終了後、コンプレッサがスイッチオフされ、スイッチオン圧力に達すると、最小回転数に設定される。これにより制動フェーズが終了したときには、コンプレッサは、制動フェーズ中に消費したエネルギーを、以降の動作では節約する。コンプレッサのスイッチオフまたは最小回転数の設定は、少なくとも１つの圧縮空気タンク内の圧力が通常圧力になるまで維持される。

１つの実施例によれば、制御装置は、ステーション動作の前に、列車管理システムから、目前に迫ったステーション動作に関する信号を受け取り、その際、少なくとも１つの圧縮空気タンクに対し最大超過圧力になるまで圧縮空気を供給するために、コンプレッサの回転数を少なくとも定格回転数に設定する。このようにして、駅に停車する準備をするために、すべてのタンクが最大圧力まで充填される。その後、圧力レベルは、停車状態になるまで保持される。

好ましくは、ステーション動作中、コンプレッサはスイッチオフされるか、または最小回転数で駆動される。このようにすれば、停車状態においてコンプレッサを遮断することができ、または少なくとも１つの圧縮空気タンクにおいて通常圧力に達するまで、最小回転数に保持することができる。したがってステーション動作の間、コンプレッサの駆動をほとんど阻止することができる。この場合、冷却ファンは、可能なかぎりスイッチオフされるかまたは、コンプレッサ内または圧縮空気出口における許容最高温度を超えない程度の速度で駆動される。このようにして駅に停車している間、コンプレッサおよび冷却ファンによる音響放出が最小限に抑えられる。さらにコンプレッサシステム全体を、組み込みスペースを節約して取り付けることができる。その理由は、音響を遮音するという受動的な措置を省くことができるからである。したがってコンプレッサのステーション動作中は、コンプレッサおよび冷却ファンの音響放出を最小にすることが優先される。このことは特に、コンプレッサおよび冷却ファンのスイッチオフまたは最小回転数での駆動によって達成される。

有利には、夜間スタンバイ動作中、コンプレッサは、最小回転数とコンプレッサのスイッチオフとの間で断続的に駆動され、圧力がスイッチオン圧力まで降下したときには最小回転数で駆動され、スイッチオフ圧力に達したときにはコンプレッサがスイッチオフされる。回転数レベルの低減によって、軌道車両が運転状態のまま停車している間、音響放出が最小限に抑えられる。さらに冷却ファンも、できるかぎりスイッチオフされたままにされるか、または、コンプレッサ内または圧縮空気出口において許容最高温度を超えない程度にすぎない速度で、制御装置によって駆動される。別の選択肢として、空気乾燥機に入る水蒸気成分が、夜間は空気乾燥機の再生が不要となるように低減されて、妨害となる換気騒音が発生しないように、冷却ユニットを使用することができる。

軌道車両の内部で準備される情報によって、コンプレッサシステムを作動するためのエネルギーが節約され、かつ、コンプレッサシステムの音響放出が低減されるように、軌道車両の動作状態に応じて制御装置が駆動される。

本発明の改良に関するさらに別の形態については、以下で図面を参照しながら、本発明の有利な実施例の説明とともに説明する。

本発明によるコンプレッサシステムを示すブロック図 互いに関連する２つのグラフを示す図であって、上方のグラフにはコンプレッサの回転数を時間軸上に示し、下方のグラフにはコンプレッサの圧力を時間軸上に示す図

１つの有利な実施形態の詳細な説明
図１に示されているように、軌道車両用のコンプレッサシステムは電気機械装置１を有しており、この電気機械装置１は駆動軸２を介して、圧縮空気発生用のコンプレッサ３を駆動する。コンプレッサ３から発生した圧縮空気は、圧縮空気搬送管路６を介して、冷却ファン１４を備えた冷却ユニット９へ供給される。冷却ユニット９の下流において圧縮空気搬送管路６内に、圧力センサ７と温度センサ１３ｂが配置されている。さらに圧縮空気搬送管路６はプレセパレータ１１に連通しており、さらにプレセパレータ１１に続いて空気処理装置１２が配置されている。ついで、乾燥させられ粒子が除かれて浄化された圧縮空気が、圧縮空気タンク４に貯蔵される。コンプレッサ３に配置された温度センサ１３ａ、ならびに温度センサ１３ｂおよび圧力センサ７はすべて、測定された温度および測定された圧力を制御装置５へ送信する。さらに制御装置５は、列車管理システム１０からも信号を受け取る。さらにこの場合、制御装置５は、冷却ユニット９の回転数を制御するのに適しているとともに、信号を調整部材８へ供給するのにも適している。周波数変換器として構成されている調整部材８は、電気機械装置１の回転数つまりはコンプレッサ３の回転数を設定する。この場合、調整部材８は、電気機械装置１の回転数を連続的に制御するために、給電装置１５と電気機械装置１との間に配置されている。

図２に示されているように、コンプレッサ３の回転数を介して、圧縮空気タンク４内の空気圧力を調整することができる。上方のグラフには、回転数の推移が時間軸上に示されており、下方のグラフには、圧縮空気タンク４内の空気圧力の推移が時間軸上に示されている。軌道車両の充填動作Ａ中、コンプレッサ３は、圧縮空気タンク４内の空気圧力がスイッチオフ圧力ａに達するまで、最大回転数ｍで駆動される。これに続く軌道車両の路線区間動作Ｎ中、コンプレッサ３は、最小回転数ｉよりも僅かに大きい可変の回転数で駆動され、これにより圧縮空気タンク４内の空気圧力は、スイッチオン圧力ｅよりも僅かに高くなるように調整される。

軌道車両の制動動作Ｂ中、コンプレッサ３は定格回転数ｎで駆動され、圧縮空気タンク４に対し最大超過圧力ｘになるまで圧縮空気供給が行われ、最大超過圧力ｘに達すると、コンプレッサ３は、定格回転数ｎと最小回転数ｉとの間において、最小回転数ｉよりも僅かに大きい可変の回転数で駆動される。制動動作Ｂが終了すると、コンプレッサ３はスイッチオフされ、スイッチオン圧力ｅに達すると、最小回転数ｉに設定される。そして軌道車両は、再び路線区間動作Ｎとなる。

ステーション動作Ｓの前に、制御装置５は列車管理システム１０から、目前に迫ったステーション動作Ｓに関する信号を受け取り、その際、少なくとも１つの圧縮空気タンク４に対し最大超過圧力ｘになるまで圧縮空気供給を行う目的で、コンプレッサ３の回転数が最大回転数ｍに設定される。ステーション動作Ｓ中、コンプレッサ３はスイッチオフされる。スイッチオン圧力ｅに達すると、コンプレッサ３は最小回転数ｉに設定される。ステーション動作Ｓの後、軌道車両は再び路線区間動作Ｎとなる。夜間スタンバイ動作Ｏ中、コンプレッサ３は、最小回転数ｉとコンプレッサ３のスイッチオフとの間で断続的に駆動され、圧力がスイッチオン圧力ｅまで降下したときには最小回転数ｉで駆動され、スイッチオフ圧力ａに達したときにはコンプレッサ３がスイッチオフされる。

本発明は、上述の有利な実施形態に限定されるものではなく、変形実施形態も考えることができ、以下の特許請求の範囲により保護される範囲には、それらの変形実施形態も共に含まれる。つまりたとえば、コンプレッサ３が複数の圧縮空気タンク４に圧縮空気を供給することも可能である。さらに考えられるのは、調整部材８が２つの出力を備え、それにより電気機械装置１の回転数も冷却ファン１４の回転数も、制御装置５によって設定されるように構成することである。

１ 電気機械装置
２ 駆動軸
３ コンプレッサ
４ 圧縮空気タンク
５ 制御装置
６ 圧縮空気搬送管路
７ 圧力センサ
８ 調整部材
９ 冷却ユニット
１０ 列車管理システム
１１ プレセパレータ
１２ 空気処理装置
１３ａ，１３ｂ 温度センサ
１４ 冷却ファン
１５ 給電装置
ａ スイッチオフ圧力
ｅ スイッチオン圧力
ｉ 最小回転数
ｍ 最大回転数
ｎ 定格回転数
ｘ 最大超過圧力
Ａ 充填動作
Ｂ 制動動作
Ｎ 路線区間動作
Ｏ 夜間スタンバイ動作
Ｓ ステーション動作

Claims (10)

1. 軌道車両用のコンプレッサシステムであって、
   該コンプレッサシステムは、少なくとも１つの圧縮空気タンク（４）のために圧縮空気を発生させるコンプレッサ（３）を含み、該コンプレッサ（３）は、電気機械装置（１）により駆動軸（２）を介して駆動され、
   前記電気機械装置（１）は、該電気機械装置（１）を最大回転数（ｍ）と最小回転数（ｉ）との間の少なくとも１つの定格回転数（ｎ）で駆動するために、少なくとも間接的に制御装置（５）を介して制御可能であり、
   さらに、前記コンプレッサ（３）の下流に設けられた圧縮空気搬送管路（６）内に、前記制御装置（５）のために圧力を測定する少なくとも１つの圧力センサ（７）が配置されている、
   軌道車両用のコンプレッサシステムにおいて、
   前記電気機械装置（１）の回転数を連続的に制御するために、給電装置（１５）と前記電気機械装置（１）との間に調整部材（８）が配置されており、該調整部材（８）の制御は前記制御装置（５）を介して行われることを特徴とする、
   軌道車両用のコンプレッサシステム。
2. 前記制御装置（５）は、前記コンプレッサ（３）の下流に配置されかつ冷却ファン（１４）を備えた冷却ユニット（９）を、少なくとも間接的に制御し、前記冷却ファン（１４）の回転数は、前記制御装置（５）により連続的に調整可能である、
   請求項１記載のコンプレッサシステム。
3. 前記軌道車両の動作状態に応じて、前記最大回転数（ｍ）と前記最小回転数（ｉ）の間においていずれかの中間値をとる可変の回転数により、前記コンプレッサ（３）を駆動する、
   請求項１または２記載のコンプレッサシステムの制御方法。
4. 前記軌道車両の充填動作（Ａ）中、前記コンプレッサ（３）を前記最大回転数（ｍ）で駆動する、
   請求項３記載の方法。
5. 前記軌道車両の路線区間動作（Ｎ）中、前記コンプレッサ（３）を、前記最小回転数（ｉ）を僅かに超えた可変の回転数で駆動し、前記少なくとも１つの圧縮空気タンク（４）内の空気圧力を、スイッチオン圧力（ｅ）よりも僅かに高くなるように調整する、
   請求項３記載の方法。
6. 前記軌道車両の制動動作（Ｂ）中、前記コンプレッサ（３）を、前記定格回転数（ｎ）と前記最大回転数（ｍ）との間の回転数で駆動して、前記少なくとも１つの圧縮空気タンク（４）に対し、前記コンプレッサ（３）の少なくともスイッチオフ圧力（ａ）まで、ただし最大で最大超過圧力（ｘ）まで、圧縮空気を供給し、前記コンプレッサ（３）は、早ければ前記スイッチオフ圧力（ａ）に達した後、ただし遅くとも前記最大超過圧力（ｘ）に達した後、前記定格回転数（ｎ）と前記最小回転数（ｉ）との間において，可変の回転数で駆動する、
   請求項３記載の方法。
7. 前記制動動作（Ｂ）の終了後、前記コンプレッサ（３）をスイッチオフし、前記スイッチオン圧力（ｅ）に達すると、前記最小回転数（ｉ）に設定する、
   請求項６記載の方法。
8. 前記制御装置（５）は、ステーション動作（Ｓ）の前に、列車管理システム（１０）から、目前に迫ったステーション動作（Ｓ）に関する信号を受け取って、前記コンプレッサ（３）の回転数を少なくとも定格回転数（ｎ）に設定し、前記少なくとも１つの圧縮空気タンク（４）に対し最大超過圧力（ｘ）になるまで圧縮空気を供給する、
   請求項３記載の方法。
9. 前記ステーション動作（Ｓ）中、前記コンプレッサ（３）をスイッチオフするか、または前記最小回転数（ｉ）で駆動する、
   請求項８記載の方法。
10. 夜間スタンバイ動作（Ｏ）中、前記コンプレッサ（３）を、前記最小回転数（ｉ）と該コンプレッサ（３）のスイッチオフとの間で断続的に駆動し、圧力が前記スイッチオン圧力（ｅ）まで降下したときには前記最小回転数（ｉ）で駆動し、前記スイッチオフ圧力（ａ）に達したときには前記コンプレッサ（３）をスイッチオフする、
    請求項３記載の方法。

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