JP7399837B2 - 電気車向け電力供給システムおよび電力供給設備 - Google Patents

Description

本発明は、電気車向け電力供給システムおよび電力供給設備に関する。

架空電力線より電力供給を受け動力車を駆動する輸送手段が現在広く用いられている。電車、路面電車、トロリーバス等が中心であったが、近年では特許文献１に開示されるように、ダンプトラックにも適用されるに至っている。

特開２０１３－１７３１５号公報

架空電力線からの電力による電気車は、ループ線を除けば往復で分けて運用される形となる。この際、平坦な路線で運用される場合には、上り側の動力車と下り側の電気車で、電力消費の不均衡は起こりづらいものであった。しかし、一方向に連続する勾配のある地域、例えば山岳地域や露天掘り鉱山の斜面等での運用を主とする場合には、電力をモータで消費し電気車のモータを駆動する上り側と、電力を消費せず自重で下る、あるいは電力回生ブレーキ等で電力をむしろ発生させながら運用する下り側とでは、双方に同じ電力を供給したとしても、上り側は電力が不足し、下り側は電力が過剰となる問題がある。

本発明は、上述のかかる課題を改善することを目的し、勾配地域での電気車の電力をより効率的にする手段を提供するものである。

本発明の好ましい一例としては、電源と、第１の電力線と、第２の電力線を有し、
前記電源からの高電圧側の出力が、前記第１の電力線と、前記第２の電力線の各々の高電圧側に分岐供給され、前記電源からの低電圧側の出力が、前記第１の電力線と、前記第２の電力線の各々の低電圧側に分岐供給され、前記第１の電力線と、前記第２の電力線はその遠端で接続され、該第１の電力線あるいは該第２の電力線により電気車に電力を供給するものであり、前記第１の電力線と、第２の電力線は傾斜部に設置され、前記電源から、前記遠端での接続部の間に、相互に接続するバイパス線を有し、下り線を走行する電気車は抑速に際し発電する抑速ブレーキあるいは回生ブレーキを有し、発電した電力を前記バイパス線を通して上り線を走行する電気車へ供給することを特徴とする電気車向け電力供給システムである。

本発明によれば、勾配地域での電気車の電力を高効率にすることができる。

本発明による更なる効果は、以下明細書全体により明らかとなるである。

実施例１の説明図である。 実施例２の説明図である。 比較例の説明図である。 比較例の模式等価回路図である。 参考例の模式等価回路図である。 実施例１の模式等価回路図である。 実施例１の模式等価回路図に関する説明図である。 実施例１の模式等価回路図に関する別の説明図である。

図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

図３は、勾配のある領域で電気車を上下運用している比較例の説明図である。５０は勾配を示す。ＰＳは電源であり、外部系統より供給されている場合を含む。電源ＰＳに接続される高電圧側電力線は、上り側の高電圧側電力線１Ａと、下り側の高電圧側電力線２Ａに分岐し、遠端で再度相互に接続されている。同様に、電源ＰＳに接続される低電圧側電力線は、上り側の低電圧側電力線１Ｂと、下り側の低電圧側電力線２Ｂに分岐し、遠端で再度相互に接続されている。

Ｍ１は上り線の電気車である。上り側の高電圧側電力線１Ａからの電力がパンタグラフＰＴ１を経由し電気車の高電圧側入力部より導入され、モータを直接あるいは間接に駆動する。上り線の電気車Ｍ１には、高電圧側入力部に対応して低電圧側入力部を有し、上り側の低電圧側電力線１Ｂに接続される。図３では、金属製の車輪を介して、上り側の低電圧側電力線１Ｂを構成する金属製のレールに接続される例を示している。

Ｍ２は下り線の電気車である。下り側の高電圧側電力線２Ａからの電力がパンタグラフＰＴ２を経由し電気車の高電圧側入力部より導入さ、モータを直接あるいは間接に駆動する。下り線の電気車Ｍ２は、高電圧側入力部に対応して低電圧側入力部を有し、下り側の低電圧側電力線２Ｂに接続される。図３では、金属製の車輪を介して、下り側の低電圧側電力線２Ｂを構成する金属製のレールに接続される例を示している。

上記説明は、電源ＰＳが直流を供給する場合、また交流を供給する場合、いずれの場合も含む。

パンタグラフＰＴ１、パンタグラフＰＴ２は、パンタグラフに限定されず、トロリーポールのような、給電機能が実現しうるものであれば特に限定はしない。

ここで、上り線の電気車Ｍ１は、上り線であるため、電力線から供給される電力を消費しながらモータを駆動し上ることになる。一方、下り線の電気車Ｍ２は下り線であるため、その下降速度を減じるために、抑速ブレーキあるいは電力回生ブレーキのような発電型ブレーキを備えることが望ましい。その場合、下り線の電気車Ｍ２のモータは発電機として機能し、その発電した電力をむしろ電力線に還流する形となる。このため、上り線の電気車Ｍ１は電力消費をし、下り線の電気車Ｍ２は電力供給をする。そのため、上り線と下り線で動力車の電力消費の形態が真逆となる。

この場合の電力状況を、図３の模式等価回路図である図４にて説明する。

なお以下の説明では、他図を含め、図３と同一の符号は同等の機能を有する物であるので再度の説明は省略する。

図４中の添え字付きの各ｒは、各電力線での電力線抵抗を示している。

ｖ０は電源ＰＳ近傍での電圧値、ｖ１は上り線での上り線の電気車Ｍ１での電圧値、ｖ２は下り線での下り線の電気車Ｍ２の電圧値をそれぞれ示している。上り線の電気車Ｍ１はモータ駆動による力行のため、電力の流れはｉ１、ｉ３のようになり、上り側の高電圧側電力線１Ａから上り線の電気車Ｍ１に流れる向きとなる。逆に、下り線の電気車Ｍ２は、例えば回生ブレーキによる発電となり、電力の流れはｉ２、ｉ４のようになり、下り側の高電圧側電力線２Ａに上り線の電気車Ｍ１から流れる向きとなる。

このときの電力の状態は、（１）力行する上り線の電気車Ｍ１による電力消費によって電力線の系全体のエネルギーが減少する。

（２）電力線の系全体のエネルギーの減少は、電力線電圧が低下する側に作用する。
下り線の電気車Ｍ２による電力回生によって、電力線の系全体のエネルギーが増加する。

（３）このとき電源ＰＳは電力線への電力供給とともに、通過させる電力を調整して、電力線の系全体のエネルギーを調整することで、電力線電圧を一定に維持するよう調整する。

（４）しかし、上述の系全体のエネルギーの増減による事象とは別に、上り線の電気車Ｍ１に向かって流れる電流と、その電流による電力線上での電圧降下によって、上り線の電気車Ｍ１の位置における電力線電圧ｖ１は、電源電圧ｖ０よりも低くなる。

等価回路的には、 ｖ１＝ｖ０－ｉ１×（ｒ１１＋ｒ１２）＜ｖ０
ということを意味する。

（５）同様に、下り線の電気車Ｍ２から流れる電流と、その電流による電力線上での電圧降下によって下り線の電気車Ｍ２の位置における電力線電圧ｖ２は、電源電圧よりも高くなる。

等価回路的には、 ｖ２＝ｖ０－ｉ２×（ｒ２１＋ｒ２２）＞ｖ０
このため、以下のような問題が生じる。

（Ａ）上り線の電気車Ｍ１にて、電力線電圧ｖ１が低下すると、上り線の電気車Ｍ１が速度維持、加速等に用いることができるエネルギーが低減するため、加速度が低下するという問題、また、その結果として速度が低下するという問題が生じる。

（Ｂ）下り線の電気車Ｍ２にて、下り線の電気車Ｍ２から電力線への電力供給により電力線電圧が上昇すると、下り線の電気車Ｍ２の電圧耐量を超過しうる、あるいはそれを避けるために電源ＰＳから電力線への電圧を予め低下させるという手段もあるが、これは上り線の電気車Ｍ１の駆動力を低下させるという別の問題を引き起こす。

（Ｃ）参考例として、図５に示すように、図３では電源ＰＳが１つであるのに対し、上り線用の第１の電源ＰＳ１と、下り線用の第２の電源ＰＳ２とに分けて電源ＰＳを構成し、第１の電源ＰＳ１の電圧を高く、第２の電源ＰＳ２の電圧を低く設定することも考えられる。しかしこの場合も、この場合では電源ＰＳのコストが単純には倍増する。また相互に電圧が異なる状態で、末端で接続される上り側の高電圧側電力線１Ａと下り側の高電圧側電力線２Ａの間での電流の抑制が新たな課題として生じることになる。

そこで本発明では、上り側の線と下り側の線で高電圧側同士、低電圧側同士を、電源ＰＳ側の分岐部から末端（遠端）で相互に再接続されるまでの間で接続する、バイパス配線を設けたことを特徴とする。

図１は、電気車向け電力供給システムである本実施例の説明図である。図３と異なるのは、上り側の高電圧側電力線１Ａと下り側の高電圧側電力線２Ａを電気的に接続する高電圧側バイパス配線１０Ａ、高電圧側バイパス配線１１Ａ、また上り側の低電圧側電力線１Ｂと下り側の低電圧側電力線２Ｂを電気的に接続する低電圧側バイパス配線１０Ｂ、低電圧側バイパス配線１１Ｂを設けた点である。

換言すると、複数の電気車走行路の電力線の間を電気的に接続し、電力線の一部を並列回路とすることでインピーダンスを低下させることができるため、電源ＰＳから上り線の電気車Ｍ１までの間の電力線上での電圧降下を小さくできる。この結果として、上り線の電気車Ｍ１による電力線電圧低下や、下り線の電気車Ｍ２による電力線電圧上昇を抑制することができる。

さらに換言すれば、上り線の電気車Ｍ１による電圧降下を、下り線の電気車Ｍ２による電圧上昇により近距離で相補するということもできる。近距離で相補させるため、バイパス線を有さない比較例より電力線抵抗による影響度合いが少なくて済み、相補の効果を向上させることができるものである。

この効果は、複数の電気車走行路の電力線間の電気的接続を介して、電力を電気車間で直接融通する、すなわち、抑速もしくは制動する電気車から回生される電力を、力行する電気車で消費することよって、電源から電力線間接続点までの間の電力線に流れる電流が低減することができ、電源から電気車までの間の電力線上での電圧降下を小さくすると言うことができる。この結果として、力行する電気車における電力線電圧低下や、抑速もしくは制動する電気車における電力線電圧上昇を抑制することができる。

図１では、バイパス線は高電圧側、低電圧側各２本の例を図示しているが、１本の場合を排除するものではない。

また図１では、バイパス線は高電圧側、低電圧側各２本の例を図示しているが、３本以上の場合を排除するものではない。電力線の延在長などに応じ、適宜設計すべき事項であるためである。

また図１では、バイパス線は高電圧側、低電圧側で同じ本数の例を図示しているが、低電圧側の電位が安定的な環境にある場合、低電圧側のバイパス線の本数は、高電圧側のバイパス線の本数より少なくても良い。

また、低電圧側の安定度次第では、バイパス線は高電圧側にのみ設ける例も本発明は含むものである。

また図１では電気車は上り線、下り線各１両となっているが、電気車は各複数台、あるいは上り線と下り線でアンバランスな台数であっても良い。そのような実使用を念頭にするほど、本発明の重要性と優位性は増大するものである。

図６は、図１の場合の模式等価回路図であり、図３の場合の図４に対応する図である。

図７は、バイパス線を設けた図６の際に、上り線の電気車Ｍ１と下り線の電気車Ｍ２間でのバイパス線を介した電力のやり取りを示した説明図である。図中の太い破線が、電力のやりとりを示す。下り線の電気車Ｍ２で発生した回生電力が、高電圧側の電力線同士を接続したバイパス線によって、上り線の電気車Ｍ１側に供給される様子が示されている。低電圧側も同様である。

図８は、図６でのバイパス線を介した別の電力の流れを示す図である。下り線の電気車Ｍ２からの回生電力は、電源ＰＳに戻る前に、上り側の電力線の電力線抵抗でも消費されるルートが示されている。これは、上り線の電気車Ｍ１の台数が、下り線の電気車Ｍ２の台数より少ないような状態、あるいは一時的に上り線の電気車Ｍ１が存在しないような状態でも、バイパス線による並列化の効果が得られることを理解できる。

また電源ＰＳが交流の場合、高電圧側と低電圧側の表記は、交流の位相に応じ入れ替わることになるため、図１での高電圧側の構成と、低電圧側の構成を、同じに近づけることが望ましい。

本実施例によれば、勾配地域での電気車の電力を高効率にすることができる。

図２は、電気車向け電力供給システムである実施例２の説明図である。図１との違いは、上り側の低電圧側電力線１Ｂや下り側の低電圧側電力線２Ｂがレールでは無く架空電力線として構成されていることである。ＲＤ１、ＲＤ２は路面を示す。図２では、上り側の高電圧側電力線１Ａからの電力は第１の導電ポールを介し上り線の電気車Ｍ１に供給され、そして第２の導電ポールを介して上り側の低電圧側電力線１Ｂへと流れることになる。同様に、下り側の高電圧側電力線２Ａからの電力は、別の第１の導電ポールを介し下り線の電気車Ｍ２に供給され、そして別の第２の導電ポールを介して下り側の低電圧側電力線２Ｂへと流れることになる。

本実施例は、電気トラックのような用途に好適である。また傾斜が急で、ゴムタイヤ駆動用のような非金属による車輪を具備する場合、図１の代わりに図２の構成を用いることになる。ただし、図２の場合でも、図１の場合と等価回路的には同じであり、実施例１での各種説明および開示された思想は、実施例２でもそのまま援用されるものである。

また電源ＰＳが交流の場合、図２の構成では、高電圧側の構成と、低電圧側の構成を同条件にできるため、特に交流が電力線に供給される場合は本構成が好適である。

本実施例によれば、上り側の低電圧側電力線１Ｂや下り側の低電圧側電力線２Ｂがレールでは無く架空電力線として構成されている電気車向け電力供給システムにおいて、電気車の電力を高効率にすることができる。

上記した実施例は、電気車向け電力供給システムとして説明しているが、電力供給設備としても適用できる。

１Ａ 上り側の高電圧側電力線
２Ａ 下り側の高電圧側電力線
１Ｂ 上り側の低電圧側電力線
２Ｂ 下り側の低電圧側電力線
ＰＴ１、ＰＴ２ パンタグラフ
Ｍ１ 上り線の電気車
Ｍ２ 下り線の電気車
１０Ａ、１１Ａ 高電圧側バイパス配線
１０Ｂ、１１Ｂ 低電圧側バイパス配線
５０ 勾配
ＰＳ 電源

Claims (6)

1. 電源と、第１の電力線と、第２の電力線を有し、
   前記電源からの高電圧側の出力が、前記第１の電力線と、前記第２の電力線の各々の高電圧側に分岐供給され、
   前記電源からの低電圧側の出力が、前記第１の電力線と、前記第２の電力線の各々の低電圧側に分岐供給され、
   前記第１の電力線と、前記第２の電力線は、その遠端で接続され、
   前記第１の電力線あるいは前記第２の電力線により電気車に電力を供給する電気車向け電力供給システムであって、
   前記第１の電力線と、前記第２の電力線は傾斜部に設置され、前記電源から、前記遠端での接続部の間に、相互に接続するバイパス線を有し、
   下り線を走行する電気車は抑速に際し発電する抑速ブレーキあるいは回生ブレーキを有し、発電した電力を前記バイパス線を通して上り線を走行する電気車へ供給することを特徴とする電気車向け電力供給システム。
2. 前記バイパス線の本数が、低電圧側より高電圧側で多く形成されていることを特徴とす
   る請求項１記載の電気車向け電力供給システム。
3. 前記電源が交流であり、前記第１の電力線と前記第２の電力線は架空線として形成され、かつ前記バイパス線の本数が、低電圧側と高電圧側で等しいことを特徴とする請求項１記載の電気車向け電力供給システム。
4. 電源と、第１の電力線と、第２の電力線を有し、
   前記電源からの高電圧側の出力が、前記第１の電力線と、前記第２の電力線の各々の高電圧側に分岐供給され、
   前記電源からの低電圧側の出力が、前記第１の電力線と、前記第２の電力線の各々の低電圧側に分岐供給され、
   前記第１の電力線と、前記第２の電力線は、その遠端で接続され、
   前記第１の電力線あるいは前記第２の電力線により電気車に電力を供給する電力供給設備であって、
   前記第１の電力線と、前記第２の電力線は傾斜部に設置され、前記電源から、前記遠端での接続部の間に、相互に接続するバイパス線を有し、
   下り線を走行する電気車は抑速に際し発電する抑速ブレーキあるいは回生ブレーキを有し、発電した電力を前記バイパス線を通して上り線を走行している電気車へ供給することを特徴とする電力供給設備。
5. 前記バイパス線の本数が、低電圧側より高電圧側で多く形成されていることを特徴とす
   る請求項４記載の電力供給設備。
6. 前記電源が交流であり、前記第１の電力線と前記第２の電力線は架空線として形成され、かつ前記バイパス線の本数が、低電圧側と高電圧側で等しいことを特徴とする請求項４記載の電力供給設備。

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