JPH01270703A - 電車のエネルギー有効利用システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、電気鉄道システム等に利用する電車のエネル
ギー有効利用システムに係わり、特に電動機の減速時に
出力する回生電力を有効に利用する電車のエネルギー有
効利用システムに関する。

（従来の技術および 発明が解決しようとする課題） 従来のこの種のシステムは台数制御を行うエレベータシ
ステムや電気鉄道システム等に利用されているが、以下
１代表例として電気鉄道システムについて説明する。す
なわち、電気鉄道システムにおいては、各電車に回生ブ
レーキが搭載され、常時は架線から定常電圧を受けて電
動機が駆動して車輪を回転させ、逆に電気車の減速時に
は当該電動機を発電機として使用し、この発電機に接続
された負荷装置に電流を流すことによって発電機に負荷
をかけブレーキ力を発生させ減速する。つまり、直流駆
動方式の場合を例示すれば、電気車の減速時に架線から
の電力を遮断し、電車の惰性を利用してロータを回転さ
せて発電機として使用し、この発電機で発電された電力
を、インバータ、昇圧器および整流器を介して架線の定
常電圧よりも高い電圧に昇圧して架線に戻している。第
１０図はかかる架線の電圧関係を表わす図であってＶｏ
は定常電圧、Δ■１は回生電圧に起因する電圧上昇分、
Δｖ２は電動機の駆動に起因する電圧降下分を示してい
る。

ところで、ある電車が回生電力を出力しているとき、他
の電車で回生電力を有効に利用できる状況になければ遠
々と張られた架線を流れて架線の抵抗等により熱として
消費されてしまいエネルギーを有効に利用できない。こ
のことは、接近する複数の電気車が殆んど同時に回生発
電したときにも前記と同様に架線の電圧が高くなるが、
回生電圧と架線の電圧が同等の電位になるため回生でき
ず電車に搭載される抵抗器に流す二とになり、完全にエ
ネルギーの無駄な消費となってしまう。また、架線自体
に抵抗があるので、これを改善しない限り他の電車との
距離が離れれば離れるほど他の電車では回生電力を有効
に利用できなくなる。

そこで、以上のような観点から大部重囲の電気鉄道の中
には回生電力を有効に利用しようとする試みがなされて
いる。そのエネルギー有効利用システムは、回生ブレー
キのほか、地上に設置するフライホイールおよび発電機
等から成るフライホイールステーションの研究が進み始
めている。回生ブレーキによる発電中に回生電力を利用
する電車がない場合、地上の要所要所に配置したフライ
ホイールステーションで架線の電圧を検出しフライホイ
ールを回転させて電力を運動エネルギーに変換し蓄積し
、駆動を開始した電車がフライホイールステーションの
近くに来たときフライホイールで発電機を回転させて運
動エネルギーを電気エネルギーに変換し架線に接続して
電力を回生ずる。

しかし、このエネルギー有効利用システムは、フライホ
イールステージジンのようなエネルギー蓄積装置が無け
ればエネルギーを留めることが難しく、仮にエネルギー
を蓄積したとしても前述同様に架線の抵抗で消費してし
まう。また、他の電車との距離および運転開度等の問題
も残る。

さらに、従来、超電導材による電線化が話題となってい
るが、その−船釣傾向としては超電導線材の臨界電流密
度を上げて抵抗零を利用して大電流を流すことにあり、
この場合に適用される電動機のコイルは出来るだけ巻数
を少なくして架線から電力を与えようとする考えに基づ
く。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、回生電力を
有効に利用して電気車を走行しうる電車のエネルギー有
効利用システムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、複数の電車間でコミュニケ
ーションを通じてエネルギーの有効利用を図る電車のエ
ネルギー有効利用システムを提供することにある。

［発明の構成］ （課通を解決するための手段） 本発明による電車のエネルギー有効利用システムは上記
目的を達成するために、架線と軌道間の定常電圧を受け
て電動機が駆動し、かつ、この電動機の減速時に回生電
力を前記架線に回生ザる複数の電車が走行する電気鉄道
システムにおいて、前記電車は、前記架線の電圧が定常
電圧以上の電圧であるとき回生電圧による電圧上昇であ
ると判断する回生状態判断手段と、この回生状態検出手
段によって回生状態であると判断したとき、自己の電車
の運転状態に応じて前記回生電圧を利用する運転制御を
行う手段とを備えたものである。

また、本発明の他のもう１つの手段は、電車が予め電動
機の減速時に入る所定時間前または減速初期時に回生予
告信号を送信する回生予告信号送出手段と、他の電車で
は前記回生予告信号送出手段から送信されてくる回生予
告信号を受け運転状態に応じて前記回生電圧を利用する
運転制御を行う機能を有する。これには、回生電力を送
出する電車とそれを利用する電車とを直接または地上局
を介してコミニュケーションを図ることにより、電力を
効率よく利用することも含む。

（作用） 従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより
、ある特定の電車が電動機の減速時に回生電力を放出す
ると架線の電圧が定常電圧よりも高くなる。そこで、他
の電車は回生状態判断手段においてその架線の電圧を検
出して回生電圧の上昇であると判断する。しかる後、他
の電車は現在の運転状態から増速を必要とする場合には
架線の回生電圧を利用して増速制御を行うことによりエ
ネルギーを有効に利用する。

また、他の発明においては、運行ダイヤに結びついてい
る電車の運行計画、運転状況（遅れ、進み、速度等）を
エネルギー有効利用プログラムに基づき各電車間あるい
は地上局（ホストコンピュータ）を介して架線、空中線
等を利用した情報伝送手段によって、それぞれアクセス
し回生電力を利用し合う制御を行うことにより回生電力
を有効に利用するものである。

（実施例） 以下、本発明に係わるエネルギー有効利用システムの実
施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明システムを適用してなる電気鉄道システ
ムの等価回路図である。同図において１１は架線（トロ
リー線または帰電線等）、１２は軌道であって、これら
架線１１および軌道１２間に常時は架線側を正極性とす
る定常電圧が給電され、この電圧を受けて複数台の電車
１３ａ、１３ｂ。

１３ｃが走行している。

これら各電車１３ａ　（１３ｂ、１３ｃは同じ構成であ
るので省略する）は、電気的には架線１１上の定常電圧
を取り込み、あるいは逆に回生電力を架線１１に出力す
る伸縮自在なパンタグラフ１４ａと、このパンタグラフ
１４ａから取り込んだ電圧を検出し所望とする運転制御
指令を行うコントロール装置１５ａと、このコントロー
ル装置１５ａの運転制御指令に基づいて動作する回生発
電可能な電動機１．６　ａと、この電動機１６ａにより
回転される車輪１７ａ等によって構成されている。

前記架線１１としては、第２図に示すようにトロリー線
本体２１の内部に臨界電流密度の比較的小さい、つまり
小電流を流しても電力が消費されずに遠方へ送ることが
できる超電導電線２２を挿入したものが使用される。こ
の超電導電線２２は例えば金属性シース２２ａの内部に
ウィスカ状。

粒状あるいはこれらの混合物等からなる高温超電導セラ
ミックス材（以下、充填材状超電導セラミックス材と呼
ぶ）２２ｂを高密度で充填してなるものが使用されるが
、その材料等については特に限定されるものでない。例
えば充填材状超電導セラミックス材２２ｂを湿度や特殊
雰囲気（酸、アルカリ、有機等のガス、飛沫等）の雰囲
気下で使用するもの、またはその様な雰囲気に放置後使
用するものについては、雰囲気の種類に応じて樹脂コー
ティング、ガラスコーティング等を行う必要がある。ま
た、架線１１の他の例としては第３図に示すようにトロ
リー線本体２１の内部に直接充填材状超電導セラミック
ス材２２ｂを高密度で充填したものでもよい。高温超電
導セラミックスは結晶の異方性、コーヒレント長が短く
、自由電子密度が低いため充填材の表面状態が特性上問
題となる。このため充填材の表面は鏡面に近い状態で充
填材間に隙間が発生しないように充填する必要がある。

。このウィスカ状１粒状の充填材の表面状態を向上させ
るには溶融寸前まで温度を上げる方法、高温下で非水媒
体で洗浄する方法等が適する。粉体については表面に超
薄膜状のＡｇ、Ｐｔ。

Ｒｈ等を蒸着し表面を活性化したところ、この状態で超
電導を示すことが判明されている。しかし、このように
して作った超電導電線は臨界電流が大きく取れないため
に高電圧にして小電流を伝送し電動機の巻線を多くして
大容量駆動できる様にした。

次に、第４図は架線１１の一種である帰電線２３に前記
超電導電線２２を用いると共にこの帰電線２３に所定距
離ごとにハンガー２４を設け、これらのハンガー２４．
・・・によりトロリー線本体２１を吊下支持する構成で
ある。さらに、第５図は同様の意図の下に滞電線２３に
上記電線２２を用いたものである。

一方、前記電動機１６ａにおいては、そのコイルとして
小さな電流を流して大きな駆動力を得るに従来のものに
比べて多くの巻数を巻装し、電動機１６ａの負荷インピ
ーダンスが低すぎる場合にはインピーダンスマツチング
（抵抗器等）をとって架線１１に電動機コイルを接続す
るものとする。

さらに、前記コントロール装置１５ａは、第６図に示す
ように架線１１の電圧を検出し定常電圧よりも回生電圧
相当分だけ高いときに回生状態であると判断する回生状
態判断手段３１、自己の電車の運転状態、つまり運転速
度等を検出する運転状態検出手段３２、これら両手段３
１．３２の出力から経済的、安全的に増速可能か否かを
判断する比較判断手段３３、この比較判断手段３３の判
。

断に基づいて回生電力を引き込んで増速制御を行う運転
制御手段３４等によって構成されている。

次に、以上のように構成された電車のエネルギー有効利
用システムの動作について説明する。

電力供給源（図示せず）から超電導電線２２等の架線１
１に対し高電圧小電流を流すと、走行中の電気車１３ａ
　（１３ｂ、１３ｃ）は架線１１からパンタグラフ１４
ａを通して所定の電力を引き込んで電動機１６ａに与え
る。このとき、電動機１６ａへの引き込み電流が小さい
が、コイルの巻線数が十分に巻装されているので所定の
電力を用いて所要とする速度で車輪１７ａを回転走行で
きる。

しかして、電車１３ａの走行中に電動機１６ａを減速す
ると、それに伴って電動機１６ａが発電機として動作し
ここで発電された電力が架線１１に回生される。その結
果、架線１１の電圧が定常電圧よりも回生電圧相当分だ
け上昇する。

このとき、他の電車例えば１３ｂでは回生状態判断手段
３１において架線１１の電圧が定常電圧よりも回生電圧
相当分だけ高い電圧であるか否かを判断し、定常電圧よ
りも回生相当分だけ高い電圧であると判断した場合には
回生状態信号を比較判断手段３３へ送出する。この比較
判断手段３３では常時運転状態検出手段３２から例えば
電車１３ｂの速度信号を受けているので、ここでは回生
状態信号が入力すると同時に自己の電車１３ｂが経済的
、かつ、安定な状態で増速可能か否かを判断し、増速可
能である場合にはその旨の信号を運転制御手段３４へ送
出する。ここで、運転制御手段３４は架線１１から回生
電力を取込んで増速制御を行うので、電車１３ｂは電車
１３ａの回生電力を利用し、かつ、架線１１の定常電圧
を下げることなく有効に速度を上げて走行することが可
能である。

しかも、架線１１自体に超電導電線２２等を用いている
ので、電車１３ａの減速時に発生する回生電力を架線１
１でほとんど消費することなく必要とする電車１３ｂ、
１３ｃ、つまり電車１３ａよりも十分に遠方を走行して
いる電車１３ｂ２１３ｃまで電力をほとんど損失するこ
となく伝送でき、かつ、電車１３ｂにおいて回生電力を
利用する必要がないときには次の電車１３ｃが第６図に
示すコントロール装置１５ｃの判断の下に回生電力を利
用して増速運転を実行することができる。

また、架線１１には高電圧、小電流を流すが、電動機１
６ａのコイル自体が増速可能なだけの巻数を巻装してい
るので、十分な駆動力で電車１３ｂを走行できる。

なお、上記実施例では、架線１１と軌道１２間の定常電
圧を受けて電車１３ａ〜１３ｃが走行するが、第７図に
示すように２つの架線１１ａ。

１、ｌｂ間に定常電圧を与えて電車１３ａ〜１３ｃを走
行するものでもよい。この場合には両方の架線１１ａ、
ｌｌｂに第２図ないし第５図のような超電導電線２２を
用いたものが使用される。なお、架線１１の定常電圧は
電車１３ａ〜１３ｃを介して軌道１２に流れるので、架
線１１のみでなく軌道１２にも同様に超電導電線：２２
等を埋設して電流路を構成してもよい。。

次に、本発明の他の実施例について図面を参照して説明
する。この実施例は、走行中の電車例えば１３ａが回生
ブレーキを例えば数分以内にかけようとする一方、架線
１１上の他の電車１３ｂ。

１３ｃが駅で停車中であるとか、あるいは増速しようと
しているとき、電車１３ａのコントロール装置１５ａか
ら架線１１に回生予告信号を重畳するとか、あるいは空
中線を用いて当該回生電力を必要とする電車１３ｂ、１
３Ｃのコントロール装置１５ｂ、１５ｃへ伝達し、各電
車１３ａ〜１３ｃ相互間でコミニュケーションをとりな
がらエネルギーの有効利用を図るものである。

第８図は以上の要請の下に実現された構成図である。す
なわち、各電車１３ａ〜１３ｃのコントロール装置１５
ａ〜１５ｃとしては、第８図に示すように回生ブレーキ
をかけようとする数分前に人為的操作または自動運転指
令に基づいて回生予告を判断する回生予告判断手段４１
と、この回生予告判断手段４１で回生予告を判断したと
きに所望とする回生予告信号を架線１１または空中線４
２を利用して送信し、または相手側から回生予告信号を
受信する伝送部４３と、この伝送部４３によって回生予
告信号を受信したときに第６図と同様な構成を用いて回
生電力を必要とするか否かを判断し必要な場合には所定
の時前後に停車中であれば回生電力を利用して発車し、
あるいは所定の増速制御を行う手段とにより構成されて
いる。

なお、必要に応じて回生電力を必要とするか否かの信号
を回生予告信号を発した電車を回生電力を必要とする電
車名を特定して返送し、これに基づいて回生電力を出力
する電車１３ａでは相手電車を特定して回生電力を利用
する許可を与える構成であってもよい。これらの一連の
処理は情報処理装置４４のシーケンスプログラムに基づ
いて行うこともできる。

また、第９図に示すようにホストコンピュータ５１を設
け、このホストコンピュータ５１を介しながら複数の電
車１３ａ〜１３ｃでコミニュケーションを図りながら回
生電力の有効利用を図る構成であってもよい。

従って、以上のような実施例の構成によれば、各電車１
３ａ〜１３ｃが相互に回生ブレーキをかけようとすると
き、その所定時間前に回生予告信号を送信して他の電車
に知らせるので、回生電力を必要とする電車はそれを容
易に知ることができ、回生電力を確実に利用しながら運
転でき、回生電力を有効に利用できる。また、架線１１
自体が超電導電線２２等で構成されていれば、相互の電
車１３ａ〜１３ｃが遠く離れていても回生電力を有効に
利用でき、相互にエネルギーの融通性を図ることができ
る。

［発明の効果コ 以上詳記したように本発明によれば次のような種々の効
果を奏する。

先ず、請求項１では、架線の電圧状態から回生状態を判
断し、自己の運転状態に基づいて回生電力を必要とする
ときに例えば増速制御するので、回生電力を有効に利用
しながら電車を走行できる電車のエネルギー有効利用シ
ステムを提供できる。

また、請求項２においては、ある電車が回生電力を出力
する所定の時間前に他の電車に回生予告信号を送信する
ので、他の電車はその回生予告信号を受けながらコミニ
ュケーションをとりながら確実に回生電力を利用できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明に係わる電車のエネルギー
有効利用システムの一実施例を説明するために示したも
ので、第１図は本システムを適用する電気鉄道システム
の等価構成図、第２図ないし第５図は第１図に示す架線
の態様を説明する図、第６図は第１図に示すコントロー
ル装置の構成図、第７図は電車の給電系の他の実施例を
示す図、第８図および第９図はそれぞれ本発明の他の実
施例を説明するシステム構成図、第１０図は架線の電圧
状態を示す図である。 １１・・・架線、１２・・・軌道、１３ａ〜１３ｃ・・
・電車、１５ａ〜１５ｃ・・・コントロール装置、１６
ａ〜１６ｃ・・・電動機、２１・・・トロリー線本体、
２２・・・超電導電線：、２２ｂ・・・粉粒状超電導セ
ラミックス材、３１・・・回生状態判断手段、３２・・
・運転状態検出手段、３３・・・比較判断手段、３４・
・・運転制御手段、４１・・・回生予告判断手段、４３
・・・伝送部、５１・・・ホストコンピュータ。 出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦 第１図 第６図 第２図　　　第３図 第５図 第７図 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）架線と軌道間の定常電圧を受けて電動機が駆動し
   、かつ、この電動機の減速時に回生電力を前記架線に回
   生する複数の電車が走行する電気鉄道システムにおいて
   、 前記電車は、前記架線の電圧が定常電圧以上の電圧であ
   るとき回生電圧による電圧上昇であると判断する回生状
   態判断手段と、この回生状態検出手段によって回生状態
   であると判断したとき、自己の電車の運転状態に応じて
   前記回生電圧を利用する運転制御を行う手段とを備えた
   ことを特徴とする電車のエネルギー有効利用システム。
2. （２）架線と軌道間の定常電圧を受けて電動機が駆動し
   、かつ、この電動機の減速時に回生電力を前記架線に供
   給する複数の電車が走行する電気鉄道システムにおいて
   、 電車は、予め電動機の減速時に入る所定時間前または減
   速初期時に回生予告信号を送信する回生予告信号送出手
   段と、他の電車では前記回生予告信号送出手段から送信
   されてくる回生予告信号を受け運転状態に応じて前記回
   生電圧を利用する運転制御を行う手段とを備えたことを
   特徴とする電車のエネルギー有効利用システム。