JPH10248111A

JPH10248111A - 集電装置

Info

Publication number: JPH10248111A
Application number: JP5002097A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Makino; 俊昭牧野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-03-05
Filing date: 1997-03-05
Publication date: 1998-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】高速電車の集電装置において、架線とすり板間
に作用する接触力を許容値以下にすることにある。【解決手段】架線と接触するすり板には、ＡＣ成分の架
線不整変位とＤＣ成分の定常揚力、摩擦力等の外乱が作
用するため、前者の外乱を低周波数帯域で対応させ、後
者の外乱を高周波数帯域で対応させた外乱ダイナミクス
を周波数帯域上で分離して推定した後、推定の接触力を
目標の接触力にレギュレーションさせることにより揚力
を定める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速鉄道車両の集
電装置に係わり、特に高速電車に好適な接触力制御装置
を有する集電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、新幹線等の高速電車の走行速度の
向上（２７０から３００ｋｍ／ｈ〜３５０ｋｍ／ｈ）に
伴い、環境騒音基準値（目標値７５ｄＢ）を厳守すべく
車外騒音値の大幅な低減が要望されている。特に、編成
した高速電車の屋根上に設置された複数個の集電装置か
ら発生する空力音が大きく、防音壁等による対策では目
標値を満足しない傾向にある。そこで、集電装置の周り
に遮音壁を設置し、集電装置に当たる空気流の流速を低
下させると共に、流れの剥離を生じさせないような遮音
カバ−を設置している。しかし、遮音壁や遮音カバ−か
ら生じる騒音も300km/h以上の高速化で大きくなり、騒
音低減に限界が生じている。そこで、遮音カバ−等を用
いない低騒音集電装置の提案がなされている。この低騒
音集電装置では、昇降用や収納用の空気シリンダを用
い、翼形集電部材（摺り板、舟体、集電支持体等）を架
線に一定力で押し上げて、接触集電させている。このよ
うな装置として、実開平５−２５９０２号公報、特開平
５−６８３０４号公報、特公平２−５０６８１号公報、
日経メカトロニクス１９９２．５．４号第２２頁か
ら第４０頁及び、日本機械学会（Ｎｏ．９２０−７７）
講習会教材（１９９２年）第２７頁から第３４頁に記載
されているものがある。また、制御式集電装置として、
特開昭５７−８５５０２号、特開昭６３−２１４０２
号、特開平３−９３４０２号、実開平５−６８３０４
号、実開平５−２５９０２号、鉄道技術シンポジュウム
Ｊ−ｒａｉｌ’９５（１９９５年）第２８７頁から第２
９０頁公報に開示されているものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記文献で提案されて
いる低騒音集電装置や制御付集電装置は、３００ｋｍ／
ｈ以上で高速走行する場合の問題点を解決しようとする
ものである。それを解決すべく、パンタグラフの機能で
ある（１）架線から電力を得る接触追従機能と、（２）
集電した電力を車両側へ導く導電機能を二分割した構造
が提案されている。しかし、すり板を固定支持した翼形
集電体に作用する揚力が２００Ｎと大きくなることが分
かった。このため、接触力に相当したロ−ドセルの検出
力による接触力推定値を用いて、フイ−ドバツク制御す
ることを検討した。しかし、定常揚力すなわち、ＤＣ成
分の揚力推定値をロ−ドセルのみで、検出推定すること
が不可能であることが分かった。すなわち、本発明の目
的は、翼形集電体に大きな揚力が作用する場合におい
て、すり板を架線に接触追従させ、従来並みの集電性能
（３０〜１７０Ｎ接触力特性）を確保するために、ＡＣ
成分の架線外乱を高周波領域で対応させると共に、ＤＣ
成分の定常揚力、摩擦力を低周波領域で対応させるよう
に、それぞれの外乱ダイナミクスを周波数帯域上で分離
設定した後、推定した接触力を目標の接触力に追従させ
るように駆動機構に制御指令を出力する集電装置の接触
力制御装置を提供することにある。

【０００４】本発明の他の目的は、架線とすり板間に作
用する接触力を小さな値に制御することにより、架線と
接触するすり板の摩耗量を低減でき、かつメンテナンス
周期を長くする集電装置の接触力制御装置を提供するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、架線に接触させて摩擦集電するすり板と、
すり板を板ばね機構で支持する双方向翼形集電体と、双
方向翼形集電体を絶縁支持する碍子部材と、碍子部材お
よび該双方向翼形集電体からの電流を車体側の導電ケ−
ブルヘッドへ流す機構部材を支持する駆動機構と、駆動
機構を動作させる接触力制御装置とを配置した集電装置
において、制御装置は、駆動機構上に設けた力検出器か
ら出力する力信号と、力検出器の上部と下部に設置した
２つの加速度計から出力する２つ加速度信号と、駆動機
構に設けた変位計から出力する変位信号の少なくとも４
つ以上の検出量を入力して、架線とすり板間に作用する
推定接触力をＨ∞制御方式により求めたコントロ−ラか
ら出力する制御信号を駆動機構に伝達する集電装置とを
備える。

【０００６】更に、本発明では、上記力検出器は、該駆
動機構と該碍子部材との間の接地電位部に設けたロ−ド
セルで、該駆動機構に作用する上下方向の荷重を検出す
る集電装置とを備える。

【０００７】更に、本発明では、上記２つの加速度計
は、該ロ−ドセルを挾んで上下対称位置に取り付けら
れ、該支持碍子から上部の慣性力と該駆動機構の可動部
の慣性力を検出する集電装置とを備える。

【０００８】更に、本発明では、上記変位計は、該駆動
機構に併設した位置に配置され、該翼形集電体に作用す
る揚力を推定検出する集電装置とを備える。

【０００９】更に、本発明では、上記Ｈ∞制御方式は、
混合感度問題で設計したコントロ−ラで構成され、外乱
を周波数帯域で２つに分離した揚力と摩擦力に対する応
答を低周波数領域とし、架線不整変位に対する応答を高
周波数領域にして、それぞれの集電装置とを備える。

【００１０】更に、本発明では、上記コントロ−ラは、
接触力の推定値にロ−パスフィルタを掛けた値と、制御
信号にハイパスフィルタを掛けた値とを求める集電装置
とを備える。

【００１１】更に、本発明では、上記コントロ−ラは、
揚力外乱を積分特性とし、架線外乱を上凸の放物線特性
とした集電装置とを備える。

【００１２】高速電車が高速走行することにより、屋根
上に設置された集電装置のすり板、双方向翼形集電体、
導電材、導電ケ−ブルヘッド等に主流速の流れが直接あ
たる。このため、各部材には上方向の揚力が作用する。
特に、すり板を囲んで、支持している双方向翼形集電体
には、２００Ｎの大きなＤＣ成分（低周波数成分）の揚
力外乱が作用する。一方、３００ｋｍ／ｈ以上の高速走
行を行うことにより、架線と接触するすり板には、数１
０ｍｍのＡＣ成分（高周波数成分）の架線不整変位の外
乱が作用する。これらの外乱を推定するために、図５に
示したような、外乱ダイナミクスを設定して周波数帯域
上で推定している。すなわち、Ａ領域では、０．１Ｈｚ
未満の低周波数帯域による揚力と摩擦力の外乱が支配的
になる。また、Ｂ領域では、０．１Ｈｚ以上の高周波数
帯域による架線不整変位の外乱が支配的になる。このよ
うに周波数帯域上でそれぞれ分離して求めた外乱を抑圧
するように、各検出器で検出した各検出量をコントロ−
ラ内に取り込み、Ｈ∞制御方式によりマトリックス演算
して求めた押上力の制御信号を出力することにより達成
される。駆動機構である力シリンダの押上力制御を行う
ことにより、図６の架線不整変位の外乱と接触力及び、
図７の揚力外乱と接触力とを、それぞれの周波数帯域上
において、低周波数帯域では揚力と摩擦力を低減するこ
とが可能となる。また、高周波数帯域では、架線不整変
位を低減することが可能となる。このことは、架線が上
下に変位し、かつ揚力や摩擦力が大きく作用しても架線
とすり板間の接触力を小さい値に制御できることを意味
するものである。すなわち、すり板が架線から離線せず
に、常に接触追随させることができる。ここで、シミュ
レーション計算した結果において、図６中の点線（Ａ
ｄ）が従来の応答であり、実線（Ｂｄ）が本発明の応答
である。また、同様に図７中の点線（Ａlift）が従来の
応答であり、実線（Ｂlift）が本発明の応答である。ゲ
インが小さくなった方が、外乱抑圧の効果が出ているこ
とを示す。

【００１３】以上のことにより、高速車両の屋根上に搭
載された複数個の集電装置では、双方向翼形集電体内の
すり板を架線に追随させるように、接触力一定の押上力
制御を行うことができるので、揚力や架線不整変位が作
用した外乱を抑制して集電性能を従来並みにすることが
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本実施例を図面を参照して
説明する。図１及び、図２は、接触力制御機構を用いた
構成図及び、それを用いた低騒音集電装置の構成図を示
す。図２に示す構成では、架線１に常時接触し、架線１
からの大電流をしゅう動して接触集電するのに必要な一
つのすり板２と、すり板２の内部構造を図示していない
が、二つの板ばね支持機構３を介して左右方向に２点支
持し、前後方向及び左右方向が対称で、かつ厚さが薄い
双方向翼形集電体４と、その双方向翼形集電体４を強度
的に支持すると共に、電気絶縁するために設けた軽量で
多数笠から成る絶縁用支持碍子５と、その絶縁用支持碍
子５を支持して、架線１に接触追従して集電するのに必
要な押上制御力を出す力シリンダ式駆動機構６と、架線
高さの変化に対して大きなストロ−クを出す位置シリン
ダ式駆動機構７と、架線１からの大電流（２５ｋＶ、最
大２００Ａ）をすり板２、双方向翼形集電体４等を介し
て流すため、双方向翼集電体４の下方向に設けられた導
電部材機構８と、その導電部材機構８とを接続して、す
り板２からの大電流を流すために絶縁を取った導電ケ−
ブルヘッド９と、その導電ケ−ブルヘッド９からの大電
流を図示していないが車体へ送る高圧ケ−ブル１１とか
らなり、それらを車体屋根上に搭載して、それらの機器
を囲ってしまうド−ム１１で構成されている。

【００１５】双方向翼形集電体４は、図示したように双
方向性の対称形状を成しており、幅６００ｍｍで長さ８
０ｍｍの平行型のすり板２を搭載している。導電ケ−ブ
ルヘッド９は、絶縁用支持碍子５からうしろにできる渦
流れの影響をうけないように、絶縁用支持碍子５の中心
位置に対してオフセット配置されている。ド−ム１１よ
り上部に出るものは、すり板２、双方向翼形集電体４、
絶縁用支持碍子５、導電部材機構８、導電ケ−ブルヘッ
ド９、駆動カバ−１２、導電下カバ−１３であり、でき
る限り表面を平滑にして、表面の圧力変動を小さくする
ことで、騒音を小さくするようにしている。さらに、絶
縁距離（約３００ｍｍ）が得られ、かつ低騒音化のため
にド−ム１１と、駆動カバ−１２及び導電下カバ−１３
との間の楕円隙間穴を長径５００ｍｍ、短径２５０ｍｍ
と、極力小さくなるようにしている。

【００１６】この構成により、前後方向及び左右方向に
対して、対称形状となるので、ド−ム１１上の車両限界
高さまで降ろすことができ、双方向運行が可能となる。
また、架線１に接触するすり板２と、すり板２を２点で
支持する板ばね支持機構３と、それらを囲って流れに逆
らわないようにした。低騒音形状の双方向翼形集電体４
と、双方向翼形集電体４に揚力が作用しても前後方向に
揺れないように絶縁用支持碍子５で支持している。これ
により、前後方向の大きな抗力が作用しても全体の固有
振動数で揺れないため、変動揚力が小さくなる。

【００１７】さらに、力シリンダ式駆動機構６は２本の
位置シリンダ式駆動機構７の上に固定支持されており、
油圧サ−ボ弁１４で油圧源１５から供給される油量を制
御することにより、押上力制御されている。その時用い
られる検出信号は、２つの圧力計２０，２１の圧力信号
Ｐｌ，Ｐｈと、絶縁用支持碍子５の下部に取り付けられ
るロ−ドセル２２の力信号ｆｚと、ロ−ドセル２２の上
部と下部に設けられた２つの加速度計の加速度信号ｚ
２”，ｚ３”と、力シリンダ式駆動機構６に併設された
変位計２５のストロ−ク信号ｚ３である。コントロ−ラ
３０は、主にそれらの検出信号を介して取り込んだアナ
ログ信号をディジテル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３２
と、その信号を演算するＣＰＵ３１と、ＣＰＵ３１から
のディジタル信号をアナログ信号に変換して出力するＤ
／Ａ変換器３３から構成されている。

【００１８】図３は、コントロ−ラ内の制御プラントの
ブロック線図を示す。切替器３４は、速度検出器による
Ｈ∞コントロ−ラ３３内で、差圧力Ｆｐｒへのフイ−ド
バツク特性値を切り替えるものである。Ｈ∞コントロ−
ラ３３は、低速と高速による２つの特性を有し、後述す
る式（６）から求められた系である。力シリンダ式駆動
機構６のアクチュエ−タ系（Ｐａｃ）３５は、２つの圧
力信号Ｐｌ，Ｐｈから油圧サ−ボ弁１４を介して得られ
た差圧からの制御力Ｆｐ（＝Ｐ１・Ａ１−Ｐｈ・Ａｈ）
を目標値である差圧力Ｆｐｒに追従させ、カットオフ周
波数を約２０Ｈｚとした２次系としている。外乱ダイナ
ミクス推定系３６は、３つの系（３６Ａ，３６Ｂ，３６
Ｃ）からなっている。３６Ａは、架線不整変位ｄの外乱
ダイナミクスで、図５のＷｄの凸特性を有する。３６Ｂ
は、揚力Ｌｉｆｔの外乱ダイナミクスで、図５のＬlｉ
ｆｔの積分特性を有する。３６Ｃは、摩擦力Ｒｆｒｉｃ
の外乱ダイナミクスで、図５のＲｆｒｉｃの積分特性を
有する。接触力推定系３７は、検出信号から求められる
ものである。接触力フィルタＷｆ３８は、接触力の変動
を抑えるための低周波数領域の重み関数特性を有するも
の（例えば、２次のロ−パスフイルタ）である。差圧力
フィルタＷｈ３９は、検出信号等の高周波数領域での影
響を少なくする重み関数特性を有するもの（例えば、２
次のハイパスフイルタ）である。接触力fに対する制御
量Z1は、重み関数Ｗｆ(s)（式(1)）を掛けたもので、図
４に示す周波数特性を有し、式(１)で表わす。

【００１９】

【数１】

【００２０】この重み関数Wf(s)の特性は、低周波数帯
域での接触力の変動を抑えるため、2次のロ−パスフィ
ルタとなっている。この関数を状態空間上で変換したも
のが、式(2)のAw1,Bw1,Cw1である。

【００２１】

【数２】

【００２２】制御入力である差圧力Fprに対して、重み
関数Ｗｈを掛けたものを制御量Z2にしている。その重み
関数Ｗｈ(s)は、図４に示す周波数特性を有し、式(3)で
表わされる。

【００２３】

【数３】

【００２４】この重み関数Wｈ(s)の特性は、高周波数帯
域上での検出器ノイズ等による影響を低減するために、
2次のハイパスフィルタとなっている。この関数を状態
空間上に変換したものが式(4)に示すAwu,Bwu,Cwuであ
る。

【００２５】

【数４】

【００２６】接触力制御系３６を構築する図３の制御プ
ラントブロック線図の式を以下に示す。

【００２７】

【数５】

【００２８】これにより設計されたＨ∞コントロ−ラ
は、式(6)で表される。

【００２９】

【数６】

【００３０】

【数７】

【００３１】ただし、kw,cwは、架線のばね定数，ダン
ピング定数である。以上のようにして求められＨ∞コン
トロ−ラを用いて計算及び実測した時間応答波形を図
８，図９に示す。本計算で用いた定数は次の値である。
ωｄ＝２０×２π（rad/s），ζｄ＝０．７，Ｃfric＝
３，ωｆ＝１０×２π（rad/s），ζｆ＝０．７，Ｌｆ
＝８．８１×１０-4，ω₁＝5000×２π（rad/s），ζ₁
＝０．７，ω₂＝８×２π（rad/s），ζ₂＝０．７，Ｌ
ｈ＝２，ｋω＝３．２３×１０3（N/m)，Ｃω＝３．２
３×１０2（N・S/m)，γ=170 図８では、すり板上部から１Ｈｚで約２０ｍｍｐ−ｐの
振幅で架線不整変位の外乱を与えた時の接触力ｆと力シ
リンダ式駆動機構６のストロ−クｚ３の時間応答波形を
示す。いずれも、架線外乱に対して追従していることが
分かる。また、図９では、双方向翼形集電体４に８０Ｎ
の揚力を作用させた場合の接触力ｆとロ−ドセル２２の
検出力ｆｚの時間応答波形を示す。ロ−ドセル２２に揚
力の変化が直接出ているが、接触力ｆには、実測値で約
１／４に低減されていることが分かる。

【００３２】以上な構成で、電車が高速走行することに
より、屋根上に搭載された集電装置に主流速の流れが直
接あたり、大きな揚力が双方向翼形集電体に作用する
が、駆動機構をアクティブ制御させた効果により、架線
に対して従来並みの接触力で架線追従を行なうことがで
きる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、高速電車に双方向集電体
を用いた場合では、すり板と架線間に作用する接触力を
大幅に低減でき、架線の押上量を許容値以下にして集電
性能を従来並みに抑制することができる。また、接触力
を小さな値で制御することもできるので、すり板の摩耗
が減り、メンテの周期が長くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す集電装置の接触力制御
装置の構成図である。

【図２】本発明の一実施例を示す集電装置の斜視構成図
である。

【図３】本発明の一実施例を示す接触力制御装置のブロ
ック線図である。

【図４】本発明の一実施例を示す重み関数の周波数特性
である。

【図５】本発明の一実施例を示す外乱ダイナミクスの周
波数特性である。

【図６】本発明の一実施例を示す架線不整変位外乱に対
する接触力の周波数特性である。

【図７】本発明の一実施例を示す揚力外乱に対する接触
力の周波数特性である。

【図８】本発明の一実施例を示す架線変位外乱が作用し
た時の接触力時間波形である。

【図９】本発明の一実施例を示す揚力外乱が作用した時
の接触力時間波形である。

【符号の説明】

１…架線、２…すり板、４…双方向翼形集電体、５…支
持碍子、６…力シリンダ駆動機構、１１…ドーム、１４
…油圧サーボ弁、２０、２１…圧力計、２２…ロードセ
ル、２３、２４…加速度計、２５…変位計、３０…コン
トローラ、３３…Ｈ∞コントローラ、３６…外乱ダイナ
ミクス、３７…接触力推定器、３８…接触力重み関数、
３９…差圧力重み関数。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】架線に接触させて摩擦集電する摺り板と、
該摺り板をばね機構で支持する双方向翼形集電体と、該
双方向翼形集電体を絶縁支持する碍子部材と、該碍子部
材および該双方向翼形集電体からの電流を車体側の導電
ケ−ブルヘッドへ流す機構部材を支持する駆動機構と、
該駆動機構を動作させる制御装置とを配置した集電装置
において、前記制御装置は、前記駆動機構上に設けた力
検出器から出力する力信号と、該力検出器の上部と下部
に設置した２つの加速度計から出力する２つ加速度信号
と、該駆動機構に設けた変位計から出力する変位信号の
少なくとも４つの検出量を入力して、架線とすり間に作
用する推定接触力をＨ∞制御方式により求めたコンロー
ラから出力する制御信号を該駆動機構に伝達すること、
を特徴とする集電装置。
【請求項２】請求項１において、前記力検出器は、前記
駆動機構と前記碍子部材との間の接地電位部に設けたロ
−ドセルで、前記駆動機構に作用する上下方向の荷重を
検出すること、を特徴とする集電装置。
【請求項３】請求項１において、前記２つの加速度計
は、前記ロ−ドセルを挾んで上下対称位置に取り付けら
れ、前記支持碍子から上部の慣性力と前記駆動機構の可
動部の慣性力を検出すること、を特徴とする集電装置。
【請求項４】請求項１において、前記変位計は、前記駆
動機構に併設した位置に配置され、前記翼形集電体に作
用する揚力を推定検出すること、を特徴とする集電装
置。
【請求項５】請求項１において、前記Ｈ∞制御方式は、
混合感度問題で設計したコントロ−ラで構成され、揚力
と摩擦力に対する応答を低周波数領域とし、架線不整変
位外乱に対する応答を高周波数領域にして、それぞれの
外乱を周波数帯域で分離したこと、を特徴とする集電装
置。
【請求項６】請求項１において、前記コントロ−ラは、
接触力の推定値にロ−パスフィルタを掛けた値と、制御
信号にハイパスフィルタを掛けた値とを求めること、を
特徴とする集電装置。
【請求項７】請求項１において、前記コントロ−ラは、
揚力外乱、摩擦力外乱を積分特性とし、架線外乱を上凸
の放物線特性としたこと、を特徴とする集電装置。