JP7144619B2 - 電化鉄道列車の３本レール給電制御システム - Google Patents

Description

本発明は列車の給電及び運行制御の技術分野に関する。

従来の幹線電化鉄道列車は商用周波数単相交流給電システムによって給電され、列車の機関車と動力車において電気設備が重要なものであり、その中でも、最も重要なものがＡＣ－ＤＣ－ＡＣトラクション伝動システムである。ＡＣ－ＤＣ－ＡＣトラクション伝動システムは車載トラクショントランス、トラクションコンバータ及びトラクションモータを直列接続してなるものであり、トラクションモータを駆動するとともに周波数、電圧を調整してトラクションモータの回転数を変えることで、列車を駆動したり速度を調整しながら運行させるという目的を達成し、この過程は列車の運転と呼ばれる。通常、実際には、列車の運転は手動操作で行われ、少ない場合は自律運転が使用される。ここで、以下の問題が存在する。第一には、幹線鉄道機関車、動力車の電気設備の中でも、ＡＣ－ＤＣ－ＡＣトラクション伝動システムはほとんどの部分を占めており、重量や体積が大きく、重量が大きいと軸荷重を増大し、軸荷重が大きいほど、線路のコストが高まり、体積が大きいと、機関車や動力車の貴重なスペースを多く占有し、パワー密度及び効率の低下を引きお起こす。第二には、スマート制御及び自律運転（ＡＴＣ）が手動運転に取り替わることが将来の傾向であるが、従来の列車及び給電方式では、運転に必要な実行設備がすべて列車に取り付けられ、列車が移動、さらに高速で移動しており、自律運転（ＡＴＣ）のための命令やスケジューリングが地面での制御センターからのものであるため、両方は無線システムを介せずに直接通信することができず、このため、無線システムの故障や誤作動により安全上のリスクが生じる。

現在解決すべき技術的問題の１つは、車載トラクショントランス、トラクションコンバータを省略し、車載電気設備の重量を減らし、軸荷重を低下させ、列車の軽量化を実現し、列車の負荷効率を高め、機関車や動力車のパワー密度を向上させ、より高速の運行に適用できるようにすることであり、もう１つは、地面給電を通じて列車運行に対する自動制御及び自律運転を直接行うことである。

本発明の目的は、従来の給電方式を変え、システムの構造を最適化させることにより、車載トラクショントランス、トラクションコンバータを省略し、軸荷重を効果的に減らし、列車の軽量化を実現し、列車の負荷効率を高め、機関車や動力車のパワー密度を向上させ、より高速の運行に適用できるようにし、また、地面給電を通じて列車運行に対する自動制御及び自律運転を直接行う電化鉄道列車の３本レール給電制御システムを提供する。

本発明の目的は以下の技術案により実現される。電化鉄道の線路における走行レールと、走行レールと並行して敷設された導電レールと、地面に設けられたＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置及び整流装置と、列車に設けられた車載集電装置、トラクションモータ及び補助電気設備とを含む電化鉄道列車の３本レール給電制御システムであって、
前記導電レールは、第１の導電レール、第２の導電レール、第３の導電レールを含み、前記第１の導電レール、前記第２の導電レールは前記走行レールと三相交流給電回路を構成し、地面に設けられたＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置によって給電され、前記走行レールは接地し、
前記第３の導電レールは前記走行レールと直流給電回路を構成し、地面に設けられた整流装置によって給電され、
前記車載集電装置は、第１の集電装置、第２の集電装置、第３の集電装置、及び第４の集電装置を含み、
前記第１の集電装置、前記第２の集電装置、及び前記第４の集電装置の末端はケーブルを介して前記列車のトラクションモータの三相端子に接続され、前記第１の集電装置、前記第２の集電装置及び第４の集電装置の先端はそれぞれ、前記第１の導電レール、前記第２の導電レール及び前記走行レールと接触して受電し、
前記第３の集電装置の末端はケーブルを介して前記列車補助電気設備の正極に接続され、前記第３の集電装置の先端は前記第３の導電レールと接触して受電し、前記第４の集電装置の末端はケーブルを介して前記列車補助電気設備の負極に接続され、
前記ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置は第１の導電レールと前記第１の集電装置、前記第２の導電レールと前記第２の集電装置、前記走行レールと前記第４の集電装置によって前記列車のトラクションモータに給電し、前記列車の起動停止及び運行が前記ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置の周波数変化、電圧変化を制御することにより制御され、
前記整流装置は前記第３の導電レールと前記第３の集電装置、前記走行レールと前記第４の集電装置によって前記列車補助電気設備に給電する。

好ましくは、記走行レールは、第１の走行レールと、第１の走行レールと並列接続する第２の走行レールとを含む。

さらに好ましくは、前記第１の導電レール、第２の導電レール、第３の導電レールは、第１の走行レールと第２の走行レールとの間の枕木又は道床に敷設され、前記第１の導電レール、第２の導電レールは若干のセクションに分割され、各セクションは独立したＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置によって給電され、それにより、列車運行をセクションごとに制御することを可能とする。

好ましくは、前記列車のトラクションモータは同期モータ、又は非同期モータである。
好ましくは、前記列車補助電気設備は主に、列車の空調設備、照明設備などを含み、前記補助電気設備は整流装置と同じ電圧レベルを用いる。

さらに好ましくは、前記車載集電装置は、すべて列車のボギーの端部に設けられ、列車のボギーと絶縁しており、前記車載集電装置の第１の集電装置、第２の集電装置、第３の集電装置及び第４の集電装置は互いに絶縁している。

従来技術に比べて、本発明の有益な効果は以下のとおりである。
一、２本の導電レールは走行レール（接地）と三相交流給電回路を構成し、別の導電レールは走行レールと直流給電回路を構成し、地面のＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置は、三相交流給電回路を介して列車のトラクションモータに給電し、地面での整流装置は直流給電回路を介して列車の補助的な電力を提供し、このように、給電構造及び給電方式を最適化させ、車載トラクショントランス及びトラクションコンバータを省略し、列車の軸荷重を効果的に減らし、列車の軽量化を実現し、機関車や動力車のパワー密度を高め、列車の負荷効率を向上させる。
二、地面でのＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置が三相交流給電回路を介して列車トラクションモータに給電することによって、列車の駆動及び運行に対する自動制御を直接行い、このようにして、自律運転及びスマート制御や運行を可能とする。
三、本発明の導電レールは、コストが低く、経済性が良好である。
四、補助電気設備には同じ電圧レベルが使用されているので、車載設備を介して電圧変換をする必要がなくなり、簡便でシンプルである。
五、地面でのＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置及び整流装置のいずれも送電網にて負シーケンス電流を発生させることはなく、このため、電気品質が確保される。
六、技術が先進的であり、性能に優れ、実施されやすい。

本発明の実施例１の構造模式図である。 本発明の実施例２の構造模式図である。

本発明の構想をよりよく理解できるように、以下、本発明の作動原理を簡単に説明する。従来のＡＣ－ＤＣ－ＡＣ機関車や動力車に比べて、車載トラクショントランス、トラクションコンバータなどの車載電気設備を省略し、列車の軸荷重を効果的に減らし、パワー密度及び負荷効率を向上させ、また、大容量の駆動（トラクション）用電力と小容量の補助用電力とを個別にし、それぞれ三相交流と直流により給電し、このように、長短を補い合い、調和的に給電し、システムの給電構造及び給電方式を最適化させ、地面での三相交流給電回路によって周波数、電圧を調整しながら給電することにより、列車の駆動及び運行制御を直接実現し、自律運転を実現する。以下、図面及び特定実施形態にて本発明をさらに説明する。

実施例１
図１に示すように、本発明の実施例は電化鉄道列車の３本レール給電制御システムを提供し、このシステムは、電化鉄道の線路における走行レールＲと、走行レールＲと並行して敷設された導電レール１と、地面に設けられたＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３及び整流装置４と、列車５に設けられた車載集電装置２、トラクションモータ６及び補助電気設備７とを含み、ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３及び整流装置４は、導電レール１、走行レールＲ及び車載集電装置２を介して、それぞれ列車のトラクションモータ６及び補助電気設備７に給電し、
前記導電レール１は、第１の導電レール１ａ、第２の導電レール１ｂ、第３の導電レール１ｃを含み、
前記第１の導電レール１ａ、前記第２の導電レール１ｂは前記走行レールＲと三相交流給電回路を構成し、地面に設けられたＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３によって給電され、前記走行レールＲは接地し、
前記第３の導電レール１ｃは前記走行レールＲと直流給電回路を構成し、地面に設けられた整流装置４によって給電され、
前記車載集電装置２は、第１の集電装置２ａ、第２の集電装置２ｂ、第３の集電装置２ｃ、及び第４の集電装置２ｄを含み、
前記第１の集電装置２ａ、前記第２の集電装置２ｂ、及び前記第４の集電装置２ｄの末端は、ケーブルを介して前記列車５のトラクションモータ６の三相端子に接続され、前記第１の集電装置２ａ、前記第２の集電装置２ｂ、及び第４の集電装置２ｄの先端は、それぞれ前記第１の導電レール１ａ、前記第２の導電レール１ｂ及び前記走行レールＲと接触して受電し、
前記第３の集電装置２ｃの末端は、ケーブルを介して前記列車５の補助電気設備７の正極に接続され、前記第３の集電装置２ｃの先端は前記第３の導電レール１ｃと接触して受電し、前記第４の集電装置２ｄの末端は、ケーブルを介して前記列車５の補助電気設備７の負極に接続され、
前記ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３は、第１の導電レール１ａと前記第１の集電装置２ａ、前記第２の導電レール１ｂと前記第２の集電装置２ｂ、前記走行レールＲと前記第４の集電装置２ｄによって前記列車５のトラクションモータ６に給電し、前記列車５の起動停止及び運行が、前記ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３の周波数変化、電圧変化を制御することにより制御され、
前記整流装置４は、前記第３の導電レール１ｃと前記第３の集電装置２ｃ、前記走行レールＲと前記第４の集電装置２ｄによって前記列車５の補助電気設備７に給電する。

本発明の実施例において、前記走行レールＲは、第１の走行レールＲ１と第２の走行レールＲ２を含み、第１の走行レールＲ１と第２の走行レールＲ２はリードを介して並列接続される。前記第１の導電レール１ａ、第２の導電レール１ｂ、第３の導電レール１ｃは、第１の走行レールＲ１と第２の走行レールＲ２との間の枕木又は道床に敷設される。

本発明の実施例において、前記列車５のトラクションモータ６は同期モータ、又は非同期モータである。

前記列車５の補助電気設備７は主に、列車の空調設備、照明設備などを含み、前記補助電気設備７は整流装置６と同じ電圧レベルを用いる。

前記車載集電装置２は、すべて列車５のボギーの端部に取り付けられ、列車５のボギーと絶縁しており、前記車載集電装置２の第１の集電装置２ａ、第２の集電装置２ｂ、第３の集電装置２ｃ及び第４の集電装置２ｄは互いに絶縁している。

前記ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３及び前記整流装置４は、すべて、変電所の三相ケーブルを介して給電される。

実施例２
図２に示すように、本発明の実施例は電化鉄道列車の３本レール給電制御システムを提供し、このシステムは、電化鉄道の線路における走行レールＲと、走行レールＲと並行して敷設された導電レール１と、地面に設けられたＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３及び整流装置４と、列車５に設けられた車載集電装置２、トラクションモータ６及び補助電気設備７とを含み、
ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３及び整流装置４は、導電レール１、走行レールＲ及び車載集電装置２を介して、それぞれ列車のトラクションモータ６及び補助電気設備７に給電し、
前記導電レール１は、第１の導電レール１ａ、第２の導電レール１ｂ、第３の導電レール１ｃを含み、
前記第１の導電レール１ａ、前記第２の導電レール１ｂは前記走行レールＲと三相交流給電回路を構成し、地面に設けられたＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３によって給電され、前記走行レールＲは接地し、
前記第３の導電レール１ｃは前記走行レールＲと直流給電回路を構成し、地面に設けられた整流装置４によって給電され、
前記車載集電装置２は、第１の集電装置２ａ、第２の集電装置２ｂ、第３の集電装置２ｃ、及び第４の集電装置２ｄを含み、
前記第１の集電装置２ａ、前記第２の集電装置２ｂ及び前記第４の集電装置２ｄの末端はケーブルを介して前記列車５のトラクションモータ６の三相端子に接続され、前記第１の集電装置２ａ、前記第２の集電装置２ｂ、及び第４の集電装置２ｄの先端は、それぞれ前記第１の導電レール１ａ、前記第２の導電レール１ｂ及び前記走行レールＲと接触して受電し、
前記第３の集電装置２ｃの末端はケーブルを介して前記列車５の補助電気設備７の正極に接続され、前記第３の集電装置２ｃの先端は前記第３の導電レール１ｃと接触して受電し、前記第４の集電装置２ｄの末端はケーブルを介して前記列車５の補助電気設備７の負極に接続され、
前記ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３は、第１の導電レール１ａと前記第１の集電装置２ａ、前記第２の導電レール１ｂと前記第２の集電装置２ｂ、前記走行レールＲと前記第４の集電装置２ｄによって前記列車５のトラクションモータ６に給電し、前記列車の起動停止及び運行が前記ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３の周波数変化、電圧変化を制御することにより制御され、
前記整流装置４は、前記第３の導電レール１ｃと前記第３の集電装置２ｃ、前記走行レールＲと前記第４の集電装置２ｄによって前記列車５の補助電気設備７に給電する。

上記実施例１に比べて、本発明の実施例では、主に以下の点が異なる。前記第１の導電レール１ａ、第２の導電レール１ｂは若干のセクションに分割され、各セクションは独立したＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３によって給電され、それにより、列車５の運行をセクションごとに制御する。本発明の特定実施例では、隣接する２つのセクションはセクションｉとセクションｉ＋１（ｉは１以上）と想定し、セクションごとに、独立したＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置３によって給電し、このように、列車５をセクションごとに制御することが容易になる。列車の安全性、制御性を確保するために、一般には、セクションごとに１台の列車が通行することに限定される。

本発明の実施例において、前記走行レールＲは、第１の走行レールＲ１と第２の走行レールＲ２を含み、第１の走行レールＲ１と第２の走行レールＲ２はリードを介して並列接続される。前記第１の導電レール１ａ、第２の導電レール１ｂ、第３の導電レール１ｃは第１の走行レールＲ１と第２の走行レールＲ２との間の枕木又は道床に敷設される。
本発明の実施例において、前記列車５のトラクションモータ６は同期モータ、又は非同期モータである。

前記列車５の補助電気設備７は主に列車の空調設備、照明設備などを含み、前記補助電気設備７は整流装置６と同じ電圧レベルを用いる。

前記車載集電装置２は、すべて列車５のボギーの端部に設けられ、列車５のボギーと絶縁しており、前記車載集電装置２の第１の集電装置２ａ、第２の集電装置２ｂ、第３の集電装置２ｃ及び第４の集電装置２ｄは互いに絶縁している。

前記ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置及び前記整流装置は、すべて変電所の三相ケーブルを介して給電される。

以上のように、本発明では、従来の給電方式を変え、システムの構造を最適化させることにより、車載設備の重量及び軸荷重を効果的に減らし、列車の軽量化を実現し、列車の負荷効率を高め、機関車や動力車のパワー密度を向上させ、より高速の運行に適するようにし、また、地面給電を通じて列車の運行に対する自動制御及び自律運転を直接行う。

Claims (6)

1. 電化鉄道の線路における走行レール（Ｒ）と、走行レール（Ｒ）と並行して敷設された導電レール（１）と、地面に設けられたＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置（３）及び整流装置（４）と、列車（５）に設けられた車載集電装置（２）、トラクションモータ（６）及び補助電気設備（７）とを含む電化鉄道列車の３本レール給電制御システムであって、
   前記導電レール（１）は、第１の導電レール（１ａ）、第２の導電レール（１ｂ）、第３の導電レール（１ｃ）を含み、
   前記第１の導電レール（１ａ）、前記第２の導電レール（１ｂ）は前記走行レール（Ｒ）と三相交流給電回路を構成し、地面に設けられたＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置（３）によって給電され、前記走行レール（Ｒ）は接地し、
   前記第３の導電レール（１ｃ）は前記走行レール（Ｒ）と直流給電回路を構成し、地面に設けられた整流装置（４）によって給電され、
   前記車載集電装置（２）は、第１の集電装置（２ａ）、第２の集電装置（２ｂ）、第３の集電装置（２ｃ）、及び第４の集電装置（２ｄ）を含み、
   前記第１の集電装置（２ａ）、前記第２の集電装置（２ｂ）、及び前記第４の集電装置（２ｄ）の末端はケーブルを介して前記列車（５）のトラクションモータ（６）の三相端子に接続され、前記第１の集電装置（２ａ）、前記第２の集電装置（２ｂ）及び第４の集電装置（２ｄ）の先端は、それぞれ前記第１の導電レール（１ａ）、前記第２の導電レール（１ｂ）及び前記走行レール（Ｒ）と接触して受電し、
   前記第３の集電装置（２ｃ）の末端はケーブルを介して前記列車（５）の補助電気設備（７）の正極に接続され、前記第３の集電装置（２ｃ）の先端は前記第３の導電レール（１ｃ）と接触して受電し、前記第４の集電装置（２ｄ）の末端はケーブルを介して前記列車（５）の補助電気設備（７）の負極に接続され、
   前記ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置（３）は第１の導電レール（１ａ）と前記第１の集電装置（２ａ）、前記第２の導電レール（１ｂ）と前記第２の集電装置（２ｂ）、前記走行レール（Ｒ）と前記第４の集電装置（２ｄ）によって前記列車（５）のトラクションモータ（６）に給電し、前記列車（５）の起動停止及び運行が前記ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置（３）の周波数変化、電圧変化を制御することにより制御され、
   前記整流装置（４）は前記第３の導電レール（１ｃ）と前記第３の集電装置（２ｃ）、前記走行レール（Ｒ）と前記第４の集電装置（２ｄ）によって前記列車（５）の補助電気設備（７）に給電する、
   ことを特徴とする電化鉄道列車の３本レール給電制御システム。
2. 前記走行レール（Ｒ）は、第１の走行レール（Ｒ１）と、第１の走行レール（Ｒ１）と並列接続する第２の走行レール（Ｒ２）とを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の電化鉄道列車の３本レール給電制御システム。
3. 前記第１の導電レール（１ａ）、第２の導電レール（１ｂ）、第３の導電レール（１ｃ）は、すべて第１の走行レール（Ｒ１）と第２の走行レール（Ｒ２）との間の枕木又は道床に敷設され、前記第１の導電レール（１ａ）、第２の導電レール（１ｂ）は列車の運行区間に応じてセクションとして設けられ、各セクションは独立したＡＣ－ＤＣ－ＡＣ可変電圧可変周波数制御装置（３）によって給電される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電化鉄道列車の３本レール給電制御システム。
4. 前記列車（５）のトラクションモータ（６）は同期モータ又は非同期モータである、ことを特徴とする請求項１に記載の電化鉄道列車の３本レール給電制御システム。
5. 前記列車（５）の補助電気設備（７）は、列車の空調設備、照明設備を含み、前記補助電気設備（７）は整流装置（４）と同じ電圧レベルを用いる、ことを特徴とする請求項１に記載の電化鉄道列車の３本レール給電制御システム。
6. 前記車載集電装置（２）は、すべて列車（５）のボギーの端部に設けられ、列車（５）のボギーと絶縁しており、前記車載集電装置（２）の第１の集電装置（２ａ）、第２の集電装置（２ｂ）、第３の集電装置（２ｃ）及び第４の集電装置（２ｄ）は互いに絶縁している、ことを特徴とする請求項１に記載の電化鉄道列車の３本レール給電制御システム。

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