JPWO2009133608A1 - 電気鉄道システム - Google Patents

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Abstract

電気鉄道システムにおいて、電気車が停車中における電力貯蔵素子への急速充電を、安定かつ安全に行うこと。電気車１０に電力を供給する電力供給装置を有する電気鉄道システムにおいて、電力供給装置は、電源７０と、電源７０に接続された架空導体部１Ａと、を備え、電気車１０は、電気車１０の屋根上に設置され、架空導体部１Ａに接触可能な接触導体部６０を有し、外部からの指令に基づいて接触導体部６０の上昇および下降が可能な集電部２Ａと、集電部２Ａに接続され、主回路の開閉を行う開閉部１１と、開閉部１１に接続されて電力変換を行う電力変換装置１２と、電力変換装置１２に接続された電力貯蔵装置１３と、電力変換装置１２により駆動され、電気車１０を駆動する電動機１６と、少なくとも開閉部１１を制御する制御部１５と、を備える。

Description

本発明は、電気車と、電気車に電力を供給する電力供給装置とを含んで構成される電気鉄道システムに関するものである。
一般に電気車は、架線からの電力を集電部で取り入れ、架線からの電力を使用して電動機を駆動して走行する構成である。
近年、二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵素子の性能が向上してきていることから、これらを電気車に搭載し、電力貯蔵素子の電力を使用して電動機を駆動するシステムの開発が進められている。
このようなシステムの種類としては、景観上の問題から、既設電化路線の一部区間から架線を撤去し、あるいは既設電化路線の路線延長部分のみを架線レスとし、架線のある区間の走行時は架線からの電力を使用し、架線レス区間を走行する場合は電力貯蔵素子からの電力で走行する構成とした部分架線レスシステムや、全路線から架線を撤去して電力貯蔵素子からの電力でのみ走行し、終端駅や途中停車駅にのみ、充電用の電源と架線を設けておき、この架線から取り入れた電力で、電力貯蔵素子に充電を行う完全架線レスシステム等が検討されている（例えば、特許文献１）。
特開２００６−２３８６５２号公報
このような部分架線レスシステム、あるいは完全架線レスシステムにおける、電気車の走行例を示す。架線のある区間では、電気車は、集電部であるパンタグラフを上昇させ、架空導体部である架線より電力を集電して既存の電気鉄道として走行し、架線の無い区間ではパンタグラフを降下させ、電力貯蔵素子の電力により走行する。電気車は、架線の無い区間での走行で消費した電力を補うため、電気車が駅等に停車中の数十秒から数分の間に、パンタグラフを上昇させ、充電用として設けられた架線から電力貯蔵素子への急速充電を行う。
上記のように、電力貯蔵素子への急速充電を短時間で行う場合には、パンタグラフから取り入れる電力は通常走行時の電力よりも大きくなるのが通常である。したがって、パンタグラフには大電流を通電することになるので、パンタグラフと架線との接触状態を良好に保つことが重要となる。
ここで、パンタグラフと架線との接触状態に異常がある場合を考える。たとえば、パンタグラフと架線との間の接触抵抗が増大した場合には、パンタグラフと架線とが接している接触部の温度が上昇して、当該部分の溶断を招く可能性がある。
また、積雪等の影響でパンタグラフが架線から離れた場合、パンタグラフと架線の間でアークが発生し、高温によりパンタグラフ、架線を損傷するおそれがあるほか、周囲の機器をも焼損するおそれがある。これらの理由により、パンタグラフと架線との接触状態の異常を速やかに検出し、充電を中止する等の処置を採ることの必要性が生じている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、架線が無い区間における走行、停車中の電力貯蔵素子への充電、架線のある区間における走行の各モードに好適で、特に電気車が停車中における電力貯蔵素子への急速充電を、安定かつ安全に行うことのできる電気鉄道システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電気鉄道システムは、電気車と、前記電気車に電力を供給する電力供給装置とを含んで構成される電気鉄道システムにおいて、前記電力供給装置は、電源と、前記電源に接続された架空導体部と、を備え、前記電気車は、前記電気車の屋根上に設置され、前記架空導体部に接触可能な接触導体部を有し、外部からの指令に基づいて前記接触導体部の上昇動作および下降動作が可能な集電部と、前記集電部に接続され、電力の供給経路である主回路の開閉を行う開閉部と、前記開閉部に接続され、電力変換を行う電力変換装置と、前記電力変換装置に接続され、電力の貯蔵を行う電力貯蔵装置と、前記電力変換装置により駆動され、前記電気車を駆動する電動機と、少なくとも前記開閉部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本発明の電気鉄道システムによれば、架線が無い区間における走行、停車中の電力貯蔵素子への充電、架線のある区間における走行の各モードに好適で、特に電気車が停車中における電力貯蔵素子への急速充電を、安定かつ安全に行うことのできる電気鉄道システムを提供することができるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態における電気鉄道システムの構成例を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態における電気車の構成例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態における電力変換装置１２の構成例を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態におけるパンタグラフ２Ａと架線１Ａの構成例を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態における制御部１５の構成例を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態におけるパンタグラフ電圧とその微分値の波形例を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態におけるリアクトル電圧の波形例を示す図である。
符号の説明
１Ａ，１Ｂ 架線
２Ａ，２Ｂ パンタグラフ
３ 車輪
４ レール
５ 状態検出部
６ 温度検出部
１０ 電気車
１１ 開閉部
１２ 電力変換装置
１３ 電力貯蔵装置
１５ 制御部
１６ 電動機
１７ 電圧検出器
２０ パンタグラフ電圧異常判定部
２１ リアクトル電圧異常判定部
２２ 温度判定部
２３ 昇降判定部
２４ 溶着判定部
２５ 論理反転回路
２６ 強制降下制御部
２７ 論理和回路
２８ 論理積回路
２９ 論理和回路
３０ 遅延回路
３１ 論理反転回路
３２，３３ 論理積回路
４０ リアクトル
４１ コンデンサ
４２ 電圧検出器
５０ 駅
６０ 接触導体部
６１ フレーム
６２ 機構部
７０ 電源
以下に本発明にかかる電気鉄道システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態における電気鉄道システムの構成例を示す図である。図１に示すように、地上に設置された設備は、電気車１０が走行するレール４と、駅５０に設けられた急速充電用の架空導体部である架線１Ａと、通常の電化区間に設けられた架線１Ｂと、電気車１０への電源であり架線１Ａおよび架線１Ｂに接続された変電所７０とを含んで構成される。
変電所７０は、図１では単なる直流電圧源の記号で示しているが、一般には電力系統から受電した特別高圧交流を変圧器で降圧し、整流器で整流した直流６００Ｖ〜１５００Ｖ程度の電圧を架線１Ａあるいは架線１Ｂに供給する構成としている。なお、架線１Ａおよび架線１Ｂは、それぞれ別の変電所（図示せず）から給電される構成としてもよい。
なお、架線１Ｂは、電気車１０が走行しながら集電するため、一般にはパンタグラフの追従性を良くするために、銅を主体とした素材で構成されたトロリー線を一定間隔で設けられた支柱により、レール４上に支持する構成がとられるが、架線１Ａは、電気車１０が停止した状態で集電することと、急速充電に伴う大電流が流れることから、断面積が大きく剛性の高い銅板を主体とした剛体架線を使用するのが好適である。
電気車１０は、急速充電用の集電部であるパンタグラフ２Ａと、既存電化区間用の集電部であるパンタグラフ２Ｂとを搭載している。電気車１０の詳細な構成は、後述する。
区間Ａは、通常の電化区間であり、電気車１０はパンタグラフ２Ｂを上昇させて架線１Ｂから電力を受電し走行する。区間Ｂは、架線レス区間であり、電気車１０はパンタグラフ２Ａ、２Ｂを降下させて格納し、車載した電力貯蔵素子の電力により走行する。区間Ｃは、急速充電用架線区間であり、区間Ｂにおける走行で消費した電力を、車載された電力貯蔵素子に充電するための区間である。区間Ｃは、ここでは駅や専用の充電区間を想定しており、何れも電気車１０は停止して、パンタグラフ２Ａを上昇させて充電を行う。
図２は、本発明の実施の形態における電気車１０の構成例を示す図である。また、図３は、本発明の実施の形態における電力変換装置１２の構成例を示す図である。図２に示すように、電気車１０には、急速充電用のパンタグラフ２Ａと、既存電化区間集電用のパンタグラフ２Ｂとが搭載され、選択的に上昇あるいは下降させることが可能な構成である。また、図２では、両パンタグラフは互いに電気的に接続されているが、常時接続せずに必要に応じて接続を切り替える構成としてもよい。
パンタグラフ２Ａには、架線１Ａと接触する接触導体部６０（後述する図４参照）の温度を計測する温度検出部６、パンタグラフ２Ａの昇降状態を検出する状態検出部５が設けられており、温度検出部６からの温度検出信号ＴＨ、状態検出部５からの状態検出信号ＰＳは、それぞれ制御部１５に入力される構成である。パンタグラフ２Ａには、電力の供給経路である主回路を開閉するスイッチあるいは遮断器等で構成される開閉部１１が接続され、開閉部１１の後段には電力変換装置１２が配置される。
電力変換装置１２は、図３に示すように、リアクトル４０とコンデンサ４１とからなる入力フィルタ回路と、リアクトル４０の電圧を検出し、リアクトル電圧ＤＶとして制御部１５に出力する電圧検出器４２とを有し、入力フィルタ回路の後段にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路およびインバータ回路が接続されている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路およびインバータ回路は、公知技術で構成されるものであり、ここでの詳細な説明は省略する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路およびインバータ回路の構成によって、本発明が限定されるものではない。
図２に戻り、電力変換装置１２の出力は、電力貯蔵装置１３および電動機１６に接続されている。
電力貯蔵装置１３は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池群、あるいは電気二重層キャパシタ群等の電力貯蔵素子が内蔵され構成されており、パンタグラフ２Ａあるいはパンタグラフ２Ｂを介して受電した電力により電力変換装置１２を介して充電を行うとともに、貯蔵した電力を、電力変換装置１２を介して電動機１６に供給し、車輪３を駆動するように構成されている。なお、電力貯蔵素子の種類によって、本発明が限定されるものではない。
パンタグラフ２Ａの後段には、電圧検出器１７が設けられており、検出したパンタグラフ電圧ＥＳを制御部１５に入力するように構成されている。
制御部１５は、外部よりパンタグラフ昇降指令ＰＣが入力され、パンタグラフ２Ａより、温度検出信号ＴＨ、状態検出信号ＰＳ、パンタグラフ電圧ＥＳが入力される。電力変換装置１２より、リアクトル電圧検出値ＤＶが入力される。また、制御部１５は、開閉部１１に対してオンオフ信号ＫＣを、電力変換装置１２に対して制御信号ＧＣを、パンタグラフ２Ａに対して強制降下信号ＰＤをそれぞれ出力する。制御信号ＧＣは、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、インバータ回路の電流を調整する電流指令と、それぞれのオンオフ指令を含む信号である。なお、制御部１５の詳細構成および動作例は追って説明する。
図４は、本発明の実施の形態におけるパンタグラフ２Ａと架線１Ａの構成例を示す図である。図４に示すように、集電部であるパンタグラフ２Ａは、機構部６２と、導体で構成されるフレーム６１と、フレーム６１と電気的に接続されている接触導体部６０と、状態検出部５と、温度検出部６と、を備えて構成される。
なお、パンタグラフ２Ｂについては、以下に差異を明示している点を除いてはパンタグラフ２Ｂと同様の構成である。
以下にパンタグラフ２Ａの動作を説明する。外部から入力されるパンタグラフ昇降指令ＰＣが上昇を指令した場合、機構部６２は、ばね、空気圧、電動力等を利用してフレーム６１を上昇させ、フレーム６１の頂上部に設けられた接触導体部６０を架線１Ａに接触させ、電力を得る。外部から入力されるパンタグラフ昇降指令ＰＣが下降を指令した場合、機構部６２はばね、空気圧、電動力等を利用してフレーム６１を下降させ、フレーム６１の頂上部に設けられた接触導体部６０と架線１Ａとの接触を断つ。
また、制御部１５からは強制降下信号ＰＤが入力される構成となっている。強制降下信号ＰＤが入力された場合、機構部６２は、ばね、空気圧、電動力等を利用して、速やかにフレーム６１を下降させ、フレーム６１の頂上部に設けられた接触導体部６０と架線１Ａとの接触を断つ。
状態検出部５は、接触導体部６０の昇降状態を検出するものであり、たとえば接触導体部６０が架線１Ａに到達し接触したと判断した場合に、状態検出信号ＰＳをオンとする。逆に、接触導体部６０と架線１Ａとの接触が断たれていると判断した場合は、状態検出信号ＰＳをオフとする。接触状態の判断は、接触導体部６０と架線１Ａとの位置関係を検出するか、接触圧力を検出するか、等が考えられるが、手段には制約はない。
なお、状態検出信号ＰＳは、検出された接触導体部６０の位置そのものを示す信号であってもよく、この場合は接触導体部６０が架線１Ａに到達したかあるいは接触が断たれたかの判別は、制御部１５で実施する。
温度検出部６は、接触導体部６０の温度を測定し、たとえば所定の設定値を超過した場合に温度検出信号ＴＨをオンとする。また接触導体部６０の温度が所定の値以下となった場合に温度検出信号ＴＨをオフとする。
なお、温度検出信号ＴＨは、検出された接触導体部６０の温度そのものを示す信号であってもよく、この場合は所定の値以上であるか以下であるかの判別は、制御部１５で実施する。
ここで、パンタグラフ２Ａとパンタグラフ２Ｂとの違いを説明する。パンタグラフ２Ｂに設置される接触導体部６０の架線と接触する部分の材質は、銅と比較して架線との摩擦係数が小さいカーボン素材が使用される。しかし、パンタグラフ２Ａに設置される接触導体部６０の架線と接触する部分の材質は、導電率が高く、融点の高い銅合金等を使用するのが好適である。
機構部６２にも違いがある。パンタグラフ２Ａに設置された機構部６２は、接触導体部６０の押上げ力をパンタグラフ２Ｂのそれよりも大きく設定してあり、接触導体部６０と架線１Ａとの接触圧を、パンタグラフ２Ｂのそれよりも高く確保するよう構成している。
上記構成とした理由を以下に示す。パンタグラフ２Ｂは、上述したとおり、走行中に使用されるため、以下の点に配慮することが好ましい。つまり、パンタグラフ２Ｂは電気車１０の走行中に接触導体部６０と架線１Ｂを摺動しながら集電を行うことになるので、架線１Ｂを磨耗させないことが重要となる。このため、接触導体部６０の架線１Ｂと接する部位には摩擦係数の低いカーボン素材を使用することが好ましい条件となる。
なお、カーボン素材は銅と比較して電気抵抗が大きく、電流の通電による損失が大きいため、架線１Ｂと接触導体部６０との接触点の発熱量は大きくなる。
しかしながら、電気車１０は、走行しながら集電を行うので、走行風による接触導体部６０の冷却が期待でき、また電気車１０の移動に伴い常に発熱箇所が移動するので、発熱箇所が同一箇所に固定されることがなく、問題とはならない。
これに対して、パンタグラフ２Ａは、上述したとおり、停止中に使用されるため、以下の点に配慮することが好ましい。つまりパンタグラフ２Ａは、電気車１０が停止中に架線１Ａから集電を行うことになるので、架線１Ａを磨耗させてしまう心配はない。
しかしながら、急速充電中においては、接触導体部６０と架線１Ａとの接触点は固定されるため、接触点での発熱を最小限に抑える必要があり、接触電気抵抗を最小化することが重要となる。このため、導電性のよい銅合金を使用する。また、万一接触点の温度が上昇した場合においても、溶損に至らないように溶融温度の高い銅合金を使用することが好ましい条件となる。
また、外部環境の影響により接触点の電気的接触の安定性が脅かされるといった懸念がある。具体的には、冬季に接触導体部６０の上部に積雪し、積雪の重量で接触導体部６０の架線１Ａへの押し付け力が低下した場合や、架線１Ａと接触導体部６０との接触点近傍が粉塵や鳥の糞等で汚損していた場合、接触点での接触抵抗が大きくなり発熱量が増大するといった懸念がある。
このため、パンタグラフ２Ａに設置された機構部６２は、接触導体部６０の押上げ力をパンタグラフ２Ｂよりも大きく設定することが好ましい条件となる。接触導体部６０と架線１Ａとの接触圧を、パンタグラフ２Ｂのそれよりも高くすることで、接触導体部６０と架線１Ａとの間の電気的接触をより確実にすることが可能となる。
なお、走行中に使用するパンタグラフ２Ｂは、走行による摩擦により接触導体部６０と架線１Ｂとの間の異物は除去され、積雪の心配もない。したがって、接触導体部６０と架線１Ｂとの接触圧をそれほど大きくしなくても電気的接触の安定性の確保が可能となる。
もしパンタグラフ２Ｂにおいて、フレーム６１の押し上げ力を大きくした場合、架線１Ｂとの摩擦力が大きくなり架線１Ｂの磨耗増加を招くほか、架線１Ｂの上方への押し上げ量が増加することになり、架線１Ｂの上部に設けられた構造物（たとえば跨線橋）等への接触の懸念が生じるため、架線１Ｂの張力を増加させる等の対策が必要となる。このため、パンタグラフ２Ｂの接触導体部６０の押し上げ力を大きくすることは、あまり好ましくない。
つぎに、架線１Ａについて説明する。架線１Ａは、図４のＢ図に示すように、電気車１０の進行方向に並列に２本設けられ、それぞれが接触導体部６０に接するように構成されている。なお、図４に示す２本に限定されず、２本以上の複数本設けてもよい。また、複数の架線１Ａは、互いに電気的に接続され、変電所７０からの電圧供給を受ける。
このように、複数の架線１Ａが接触導体部６０と接するように構成することで、たとえば架線１Ａのうち１本にビニール等の異物が付着していた場合等で、著しく電気的接触が悪化する状況が発生しても、残りの架線１Ａが接触導体部６０と接することができ、安定した集電が可能となる。
なお、パンタグラフ２Ａの接触導体部６０を２本以上の複数本設ける（図４の図では２本を例示）ことによっても、架線１Ａとの接触を確実にすることができ、安定した集電が可能となる。
また、電気車１０にパンタグラフ２Ａを複数台設けて、複数台を互いに電気的に接続しても同じ効果を得ることができる。ただし、パンタグラフ搭載数が増加して電気車１０の重量が重くなり、屋根上のスペースも要するといった不利点に配慮する必要がある。
さらに、図示は省略しているが、架線１Ａは、パンタグラフ２Ａの押し上げ力により多少上方へ持ち上がるようにしておき、一定量持ち上がった場合にのみ、図示しない位置検出器でこれを検出して、変電所７０から架線１Ａに電圧を印加する構成としてもよい。このように構成すれば、接触導体部６０と架線１Ａとの間の接触力が確実に存在する場合にのみ、パンタグラフ２Ａに電力を供給できる効果があり、より安定した集電が可能となる。
つぎに、制御部１５の構成を説明する。図５は、本発明の実施の形態における制御部１５の構成例を示す図である。
図５に示すように、制御部１５は、パンタグラフ電圧ＥＳを入力し、パンタグラフ電圧ＥＳの異常を判定して、その結果を判定信号ＥＳＤとして出力するパンタグラフ電圧異常判定部２０と、リアクトル電圧ＤＶを入力し、リアクトル電圧ＤＶの異常を判定して、その結果を判定信号ＤＶＤとして出力するリアクトル電圧異常判定部２１と、接触導体部６０の温度検出信号ＴＨを入力し、温度の異常判定を行い、その結果を判定信号ＴＨＤとして出力する温度判定部２２と、状態検出信号ＰＳを入力し、パンタグラフ２Ａの昇降状態を判定して、その結果を判定信号ＰＳＤとして出力する昇降判定部２３と、パンタグラフ昇降指令ＰＣと状態検出信号ＰＳとを入力し、パンタグラフ２Ａの接触導体部６０の溶着状況を判定して、その結果を判定信号ＭＤＤとして出力する溶着判定部２４と、これら判定信号ＥＳＤ、ＤＶＤ、ＴＨＤ、ＰＳＤの論理和をとり、その結果ＥＲ０を出力する論理和回路２７と、電気車１０が停車中を示す停車信号ＳＴとＥＲ０との論理積をとり、その結果ＥＲ１を出力する論理積回路２８と、停車信号ＳＴの論理反転をとり、その結果ＳＴＢを出力する論理反転回路２５と、ＳＴＢがオン（Ｈ）レベルとなった場合に、強制降下基本信号ＰＤＳを出力する強制降下制御部２６と、強制降下基本信号ＰＤＳを入力し、所定時間だけ遅延させて強制降下信号ＰＤを出力する遅延回路３０と、論理積回路２８の出力ＥＲ１と、判定信号ＭＤＤと強制降下基本信号ＰＤＳとの論理和をとる論理和回路２９と、論理和回路２９の出力信号を論理反転させ、判定信号ＥＲを出力する論理反転回路３１と、判定信号ＥＲと、別途生成された基本オンオフ信号ＫＣ０との論理和をとり、オンオフ信号ＫＣとして出力する論理積回路３２と、判定信号ＥＲと、別途生成された基本制御信号ＧＣ０との論理和をとり、制御信号ＧＣとして出力する論理積回路３３と、を含んで構成される。
このように構成された制御部１５の動作を説明する。パンタグラフ電圧異常判定部２０では、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態の程度を示す物理量であるパンタグラフ電圧ＥＳに基づいて、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態の異常判定を行う。
図６は、本発明の実施の形態におけるパンタグラフ電圧ＥＳとその微分値の波形例を示す図である。図６に示すように、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触が不良となった場合、接触抵抗が変化したり、アークが発生し、図６中に破線で示したとおり電圧が変動する。パンタグラフ電圧異常判定部２０では、パンタグラフ電圧ＥＳの微分値（変化率）を求め、これが判定値以内に存在するか、否かを監視する。パンタグラフ電圧ＥＳの微分値（変化率）が判定値外の値をとった場合、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触が不良（異常）であると判断して判定信号ＥＳＤをオン（Ｈレベル）とする。
なお、パンタグラフ電圧ＥＳの微分値（変化率）に基づいて異常判定を行うほか、パンタグラフ電圧ＥＳをハイパスフィルタに通し、接触不良状態に起因して発生する電圧変動成分（周波数成分）を抽出して、これに基づいて異常判定を実施する構成としてもよい。
リアクトル電圧異常判定部２１では、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態の程度を示す物理量であるリアクトル電圧ＤＶに基づいて、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態の異常判定を行う。
図７は、本発明の実施の形態におけるリアクトル電圧ＤＶの波形例を示す図である。図７に示すように、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触が不良となった場合、接触抵抗が変化したり、アークが発生し、図７中に破線で示したとおり電圧が変動する。リアクトル電圧異常判定部２１ではリアクトル電圧ＤＶが判定値以内に存在するか、否かを監視する。リアクトル電圧ＤＶが判定値外の値をとった場合、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触が不良（異常）であると判断して判定信号ＤＶＤをオン（Ｈレベル）とする。
なお、パンタグラフ電圧異常判定部２０での処理と同様にリアクトル電圧ＤＶの微分値（変化率）に基づいて、異常判定を行ってもよい。またリアクトル電圧ＤＶをハイパスフィルタに通し、接触不良状態に起因して発生する電圧変動成分（周波数成分）を抽出して、これに基づいて異常判定を実施する構成としてもよい。パンタグラフ電圧異常判定部２０と、リアクトル電圧異常判定部２１は、少なくとも片方を備える構成でもよい。
そのほかの構成として、図示しないが、フーリエ変換等の手段でパンタグラフ電圧ＥＳあるいはリアクトル電圧ＤＶに含まれる周波数の分析を行い、予め明確にしておいたアークが発生している状態で生じる周波数分布の特徴との比較照合を行って、その結果により、パンタグラフ電圧異常判定部２０あるいはリアクトル電圧異常判定部２１において、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触が不良（異常）であると判断して判定信号ＥＳＤあるいは判定信号ＤＶＤをオン（Ｈレベル）とする構成としても良い。
温度判定部２２では、接触状態の程度を示す物理量である温度検出信号ＴＨが接触導体部６０の過温度を示している場合に、判定信号ＴＨＤをオン（Ｈレベル）とする。
昇降判定部２３では、接触状態の程度を示す物理量である状態検出信号ＰＳが接触導体部６０の上昇位置が所定値以下であり、架線１Ａに接していない状態を示している場合に、判定信号ＰＳＤをオン（Ｈレベル）とする。
論理和回路２７では、上記の判定信号ＥＳＤとＤＶＤとＴＨＤとＰＳＤとの論理和をとる。このように構成することで、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態が異常である場合に発生しうる事象のうちどれかが発生した場合に、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態が異常であると判断して判定信号ＥＲ０を出力する。
つぎに、論理積回路２８にて、電気車１０が停車中であることを示す停車信号ＳＴとの論理積をとり、判定信号ＥＲ１を出力する。このように構成することで、電気車１０が通常の電化区間を走行中における架線１Ｂとパンタグラフ２Ｂとの間の離線や、電圧変動による不要な異常検出を回避し、電気車１０が停車中である場合のみに異常検出機能を有効とすることができる。
判定信号ＥＲ１がオン（Ｈレベル）となった場合、架線１Ａと接触導体部６０との間の電気的接触状態に異常があるものと判断されるので、論理和回路２９、論理反転回路３１を介して、判定信号ＥＲを出力し、別途生成された基本オンオフ信号ＫＣ０と基本制御信号ＧＣ０によらず、オンオフ信号ＫＣと制御信号ＧＣとを強制的にオフとすることで、電力変換装置１２を停止させるとともに、開閉部１１をオフして主回路電流を遮断する。このように構成することで、パンタグラフ２Ａに電流が流れないように保護し、異常範囲の拡大を回避することが可能となる。
つぎに、溶着判定部２４では、たとえば電気車１０の急速充電が完了し、パンタグラフ昇降指令ＰＣが下降を指示しているにも関わらず、状態検出信号ＰＳが接触導体部６０と架線１Ａとが接した状態を継続している旨の信号を出力している場合、接触導体部６０と架線１Ａとが溶着しパンタグラフ２Ａの降下が不能であると判断して判定信号ＭＤＤをオン（Ｈレベル）とする。
判定信号ＭＤＤがオン（Ｈレベル）となった場合、架線１Ａと接触導体部６０との間で発生したアーク等により、両者が溶着したと判断し、論理和回路２９、論理反転回路３１を介して、判定信号ＥＲを出力し、別途生成された基本オンオフ信号ＫＣ０と基本制御信号ＧＣ０によらず、オンオフ信号ＫＣと制御信号ＧＣとを強制的にオフとすることで、電力変換装置１２（特にインバータ回路）の起動を禁止して電動機１６への通電を禁止するとともに、開閉部１１をオフして主回路電流を遮断する。このように構成することで、パンタグラフ２Ａが架線１Ａと溶着した状態で電気車１０が起動し、パンタグラフ２Ａを破壊することを回避し被害の拡大を回避することが可能となる。なお、電動機１６への通電を禁止し、かつ開閉部１１をオフして主回路を切断しても、電気車１０が移動することは好ましくない。このため、電気車の走行を禁止する処置を講ずることが好ましい。
つぎに、強制降下制御部２６では、たとえば電気車１０がパンタグラフ２Ａを上昇させて急速充電中に、電気車１０のブレーキが緩む等して、あるいは意図的に操作して電気車１０が動いた場合に、強制降下基本信号ＰＤＳをオン（Ｈレベル）とする。これにより、論理和回路２９、論理反転回路３１を介して、判定信号ＥＲを出力し、別途生成された基本オンオフ信号ＫＣ０と基本制御信号ＧＣ０によらず、オンオフ信号ＫＣと制御信号ＧＣとを強制的にオフとすることで、電力変換装置１２をオフするとともに、開閉部１１をオフして主回路電流を遮断する。
この後、遅延回路３０にて設定した遅延時間が経過した後、強制降下信号ＰＤが出力され、パンタグラフ２Ａを降下させる。ここで、遅延回路３０の遅延時間は、開閉部１１と電力変換装置１２とがオフ状態となるまでの時間以上に設定しておく。このようにすることで、電気車１０が区間Ｃを逸脱するまえにパンタグラフ２Ａを降下格納することが可能となる。その結果、パンタグラフ２Ａが架線１Ａの存在しない場所で上昇し、上昇限界を超えて破損に至るといった状況を回避することが可能となる。
なお、遅延回路３０で強制降下基本信号ＰＤＳのオンタイミングから強制降下信号ＰＤをオンするまでの時間を確保することで、電力変換装置１２と開閉部１１を停止させて主回路電流をゼロとした後にパンタグラフ２Ａの降下が開始されるので、パンタグラフ２Ａの接触導体部６０と架線１Ａの離線によって電流を遮断することがなくなり、パンタグラフ２Ａと架線１Ａとの間にアークが発生して溶損する事態を回避することが可能となる。
なお、遅延回路３０を設けるほか、開閉部１１と電力変換装置１２とからオンオフ状態を示すフィードバック信号（図示せず）を受けて、開閉部１１と電力変換装置１２のオフを確認してから強制降下信号ＰＤをオンするようにインターロック回路を構成しても同様の効果が得られる。
また、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触の異常を検出する方法としては、サーモビュア等（図示せず）により間接的に接触導体部６０の温度を検出して、これに基づいて判定信号ＴＨＤをオン（Ｈレベル）とする構成としてもよいし、架線１Ａと接触導体部６０との間に発生したアーク光を、図示しない光センサで検出し、検出値が所定以上である場合に、接触導体部６０の温度が高温であるとして、判定信号ＴＨＤをオン（Ｈレベル）とする構成としてもよい。
なお、実施の形態で示した構成では、停車中の急速充電時に使用するパンタグラフ２Ａと、走行中の架線集電に使用するパンタグラフ２Ｂとを電気車１０に搭載する形態で説明したが、パンタグラフ２Ａとパンタグラフ２Ｂの両方の特性を兼ね備えた別のパンタグラフと共用してもよい。この場合でも、本発明の実施の形態に示した構成が適用できるのは言うまでもない。
また、急速充電電流が少ない場合等では、パンタグラフ２Ａの代わりにパンタグラフ２Ｂで代用してもよい。この場合でも、本発明の実施の形態に示した構成が適用できるのは言うまでもない。
以上のように構成したので、架線が無い区間における走行、停車中の電力貯蔵素子への充電、架線のある区間における走行の各モードに好適で、特に電気車が停車中にける電力貯蔵素子への急速充電を、安定して行うことのできる電気鉄道システムを提供できる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
以上のように、本発明にかかる電気鉄道システムは、電気車が停車中における電力貯蔵素子への急速充電を、安定かつ安全に行うことのできる発明として有用である。
本発明は、電気車と、電気車に電力を供給する電力供給装置とを含んで構成される電気鉄道システムに関するものである。
一般に電気車は、架線からの電力を集電部で取り入れ、架線からの電力を使用して電動機を駆動して走行する構成である。
近年、二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵素子の性能が向上してきていることから、これらを電気車に搭載し、電力貯蔵素子の電力を使用して電動機を駆動するシステムの開発が進められている。
このようなシステムの種類としては、景観上の問題から、既設電化路線の一部区間から架線を撤去し、あるいは既設電化路線の路線延長部分のみを架線レスとし、架線のある区間の走行時は架線からの電力を使用し、架線レス区間を走行する場合は電力貯蔵素子からの電力で走行する構成とした部分架線レスシステムや、全路線から架線を撤去して電力貯蔵素子からの電力でのみ走行し、終端駅や途中停車駅にのみ、充電用の電源と架線を設けておき、この架線から取り入れた電力で、電力貯蔵素子に充電を行う完全架線レスシステム等が検討されている（例えば、特許文献１）。
特開２００６−２３８６５２号公報
このような部分架線レスシステム、あるいは完全架線レスシステムにおける、電気車の走行例を示す。架線のある区間では、電気車は、集電部であるパンタグラフを上昇させ、架空導体部である架線より電力を集電して既存の電気鉄道として走行し、架線の無い区間ではパンタグラフを降下させ、電力貯蔵素子の電力により走行する。電気車は、架線の無い区間での走行で消費した電力を補うため、電気車が駅等に停車中の数十秒から数分の間に、パンタグラフを上昇させ、充電用として設けられた架線から電力貯蔵素子への急速充電を行う。
上記のように、電力貯蔵素子への急速充電を短時間で行う場合には、パンタグラフから取り入れる電力は通常走行時の電力よりも大きくなるのが通常である。したがって、パンタグラフには大電流を通電することになるので、パンタグラフと架線との接触状態を良好に保つことが重要となる。
ここで、パンタグラフと架線との接触状態に異常がある場合を考える。たとえば、パンタグラフと架線との間の接触抵抗が増大した場合には、パンタグラフと架線とが接している接触部の温度が上昇して、当該部分の溶断を招く可能性がある。
また、積雪等の影響でパンタグラフが架線から離れた場合、パンタグラフと架線の間でアークが発生し、高温によりパンタグラフ、架線を損傷するおそれがあるほか、周囲の機器をも焼損するおそれがある。これらの理由により、パンタグラフと架線との接触状態の異常を速やかに検出し、充電を中止する等の処置を採ることの必要性が生じている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、架線が無い区間における走行、停車中の電力貯蔵素子への充電、架線のある区間における走行の各モードに好適で、特に電気車が停車中における電力貯蔵素子への急速充電を、安定かつ安全に行うことのできる電気鉄道システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電気鉄道システムは、 電気車と、前記電気車に電力を供給する電力供給装置とを含んで構成される電気鉄道システムにおいて、前記電力供給装置は、電源と、前記電源に接続された架空導体部と、を備え、前記電気車は、前記電気車の屋根上に設置され、前記架空導体部に接触可能な接触導体部を有し、外部からの指令に基づいて前記接触導体部の上昇動作および下降動作が可能な集電部と、前記集電部に接続され、電力の供給経路である主回路の開閉を行う開閉部と、前記開閉部に接続され、電力変換を行う電力変換装置と、前記電力変換装置に接続され、電力の貯蔵を行う電力貯蔵装置と、前記電力変換装置により駆動され、前記電気車を駆動する電動機と、少なくとも前記開閉部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記架空導体部と前記接触導体部との接触状態の程度を示す物理量に基づいて、前記開閉部および前記電力変換装置のオンオフ制御を行う構成としたことを特徴とする。
本発明の電気鉄道システムによれば、架線が無い区間における走行、停車中の電力貯蔵素子への充電、架線のある区間における走行の各モードに好適で、特に電気車が停車中における電力貯蔵素子への急速充電を、安定かつ安全に行うことのできる電気鉄道システムを提供することができるという効果を奏する。
以下に本発明にかかる電気鉄道システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態における電気鉄道システムの構成例を示す図である。図１に示すように、地上に設置された設備は、電気車１０が走行するレール４と、駅５０に設けられた急速充電用の架空導体部である架線１Ａと、通常の電化区間に設けられた架線１Ｂと、電気車１０への電源であり架線１Ａおよび架線１Ｂに接続された変電所７０とを含んで構成される。
変電所７０は、図１では単なる直流電圧源の記号で示しているが、一般には電力系統から受電した特別高圧交流を変圧器で降圧し、整流器で整流した直流６００Ｖ〜１５００Ｖ程度の電圧を架線１Ａあるいは架線１Ｂに供給する構成としている。なお、架線１Ａおよび架線１Ｂは、それぞれ別の変電所（図示せず）から給電される構成としてもよい。
なお、架線１Ｂは、電気車１０が走行しながら集電するため、一般にはパンタグラフの追従性を良くするために、銅を主体とした素材で構成されたトロリー線を一定間隔で設けられた支柱により、レール４上に支持する構成がとられるが、架線１Ａは、電気車１０が停止した状態で集電することと、急速充電に伴う大電流が流れることから、断面積が大きく剛性の高い銅板を主体とした剛体架線を使用するのが好適である。
電気車１０は、急速充電用の集電部であるパンタグラフ２Ａと、既存電化区間用の集電部であるパンタグラフ２Ｂとを搭載している。電気車１０の詳細な構成は、後述する。
区間Ａは、通常の電化区間であり、電気車１０はパンタグラフ２Ｂを上昇させて架線１Ｂから電力を受電し走行する。区間Ｂは、架線レス区間であり、電気車１０はパンタグラフ２Ａ、２Ｂを降下させて格納し、車載した電力貯蔵素子の電力により走行する。区間Ｃは、急速充電用架線区間であり、区間Ｂにおける走行で消費した電力を、車載された電力貯蔵素子に充電するための区間である。区間Ｃは、ここでは駅や専用の充電区間を想定しており、何れも電気車１０は停止して、パンタグラフ２Ａを上昇させて充電を行う。
図２は、本発明の実施の形態における電気車１０の構成例を示す図である。また、図３は、本発明の実施の形態における電力変換装置１２の構成例を示す図である。図２に示すように、電気車１０には、急速充電用のパンタグラフ２Ａと、既存電化区間集電用のパンタグラフ２Ｂとが搭載され、選択的に上昇あるいは下降させることが可能な構成である。また、図２では、両パンタグラフは互いに電気的に接続されているが、常時接続せずに必要に応じて接続を切り替える構成としてもよい。
パンタグラフ２Ａには、架線１Ａと接触する接触導体部６０（後述する図４参照）の温度を計測する温度検出部６、パンタグラフ２Ａの昇降状態を検出する状態検出部５が設けられており、温度検出部６からの温度検出信号ＴＨ、状態検出部５からの状態検出信号ＰＳは、それぞれ制御部１５に入力される構成である。パンタグラフ２Ａには、電力の供給経路である主回路を開閉するスイッチあるいは遮断器等で構成される開閉部１１が接続され、開閉部１１の後段には電力変換装置１２が配置される。
電力変換装置１２は、図３に示すように、リアクトル４０とコンデンサ４１とからなる入力フィルタ回路と、リアクトル４０の電圧を検出し、リアクトル電圧ＤＶとして制御部１５に出力する電圧検出器４２とを有し、入力フィルタ回路の後段にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路およびインバータ回路が接続されている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路およびインバータ回路は、公知技術で構成されるものであり、ここでの詳細な説明は省略する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路およびインバータ回路の構成によって、本発明が限定されるものではない。
図２に戻り、電力変換装置１２の出力は、電力貯蔵装置１３および電動機１６に接続されている。
電力貯蔵装置１３は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池群、あるいは電気二重層キャパシタ群等の電力貯蔵素子が内蔵され構成されており、パンタグラフ２Ａあるいはパンタグラフ２Ｂを介して受電した電力により電力変換装置１２を介して充電を行うとともに、貯蔵した電力を、電力変換装置１２を介して電動機１６に供給し、車輪３を駆動するように構成されている。なお、電力貯蔵素子の種類によって、本発明が限定されるものではない。
パンタグラフ２Ａの後段には、電圧検出器１７が設けられており、検出したパンタグラフ電圧ＥＳを制御部１５に入力するように構成されている。
制御部１５は、外部よりパンタグラフ昇降指令ＰＣが入力され、パンタグラフ２Ａより、温度検出信号ＴＨ、状態検出信号ＰＳ、パンタグラフ電圧ＥＳが入力される。電力変換装置１２より、リアクトル電圧検出値ＤＶが入力される。また、制御部１５は、開閉部１１に対してオンオフ信号ＫＣを、電力変換装置１２に対して制御信号ＧＣを、パンタグラフ２Ａに対して強制降下信号ＰＤをそれぞれ出力する。制御信号ＧＣは、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、インバータ回路の電流を調整する電流指令と、それぞれのオンオフ指令を含む信号である。なお、制御部１５の詳細構成および動作例は追って説明する。
図４は、本発明の実施の形態におけるパンタグラフ２Ａと架線１Ａの構成例を示す図である。図４に示すように、集電部であるパンタグラフ２Ａは、機構部６２と、導体で構成されるフレーム６１と、フレーム６１と電気的に接続されている接触導体部６０と、状態検出部５と、温度検出部６と、を備えて構成される。
なお、パンタグラフ２Ｂについては、以下に差異を明示している点を除いてはパンタグラフ２Ｂと同様の構成である。
以下にパンタグラフ２Ａの動作を説明する。外部から入力されるパンタグラフ昇降指令ＰＣが上昇を指令した場合、機構部６２は、ばね、空気圧、電動力等を利用してフレーム６１を上昇させ、フレーム６１の頂上部に設けられた接触導体部６０を架線１Ａに接触させ、電力を得る。外部から入力されるパンタグラフ昇降指令ＰＣが下降を指令した場合、機構部６２はばね、空気圧、電動力等を利用してフレーム６１を下降させ、フレーム６１の頂上部に設けられた接触導体部６０と架線１Ａとの接触を断つ。
また、制御部１５からは強制降下信号ＰＤが入力される構成となっている。強制降下信号ＰＤが入力された場合、機構部６２は、ばね、空気圧、電動力等を利用して、速やかにフレーム６１を下降させ、フレーム６１の頂上部に設けられた接触導体部６０と架線１Ａとの接触を断つ。
状態検出部５は、接触導体部６０の昇降状態を検出するものであり、たとえば接触導体部６０が架線１Ａに到達し接触したと判断した場合に、状態検出信号ＰＳをオンとする。逆に、接触導体部６０と架線１Ａとの接触が断たれていると判断した場合は、状態検出信号ＰＳをオフとする。接触状態の判断は、接触導体部６０と架線１Ａとの位置関係を検出するか、接触圧力を検出するか、等が考えられるが、手段には制約はない。
なお、状態検出信号ＰＳは、検出された接触導体部６０の位置そのものを示す信号であってもよく、この場合は接触導体部６０が架線１Ａに到達したかあるいは接触が断たれたかの判別は、制御部１５で実施する。
温度検出部６は、接触導体部６０の温度を測定し、たとえば所定の設定値を超過した場合に温度検出信号ＴＨをオンとする。また接触導体部６０の温度が所定の値以下となった場合に温度検出信号ＴＨをオフとする。
なお、温度検出信号ＴＨは、検出された接触導体部６０の温度そのものを示す信号であってもよく、この場合は所定の値以上であるか以下であるかの判別は、制御部１５で実施する。
ここで、パンタグラフ２Ａとパンタグラフ２Ｂとの違いを説明する。パンタグラフ２Ｂに設置される接触導体部６０の架線と接触する部分の材質は、銅と比較して架線との摩擦係数が小さいカーボン素材が使用される。しかし、パンタグラフ２Ａに設置される接触導体部６０の架線と接触する部分の材質は、導電率が高く、融点の高い銅合金等を使用するのが好適である。
機構部６２にも違いがある。パンタグラフ２Ａに設置された機構部６２は、接触導体部６０の押上げ力をパンタグラフ２Ｂのそれよりも大きく設定してあり、接触導体部６０と架線１Ａとの接触圧を、パンタグラフ２Ｂのそれよりも高く確保するよう構成している。
上記構成とした理由を以下に示す。パンタグラフ２Ｂは、上述したとおり、走行中に使用されるため、以下の点に配慮することが好ましい。つまり、パンタグラフ２Ｂは電気車１０の走行中に接触導体部６０と架線１Ｂを摺動しながら集電を行うことになるので、架線１Ｂを磨耗させないことが重要となる。このため、接触導体部６０の架線１Ｂと接する部位には摩擦係数の低いカーボン素材を使用することが好ましい条件となる。
なお、カーボン素材は銅と比較して電気抵抗が大きく、電流の通電による損失が大きいため、架線１Ｂと接触導体部６０との接触点の発熱量は大きくなる。
しかしながら、電気車１０は、走行しながら集電を行うので、走行風による接触導体部６０の冷却が期待でき、また電気車１０の移動に伴い常に発熱箇所が移動するので、発熱箇所が同一箇所に固定されることがなく、問題とはならない。
これに対して、パンタグラフ２Ａは、上述したとおり、停止中に使用されるため、以下の点に配慮することが好ましい。つまりパンタグラフ２Ａは、電気車１０が停止中に架線１Ａから集電を行うことになるので、架線１Ａを磨耗させてしまう心配はない。
しかしながら、急速充電中においては、接触導体部６０と架線１Ａとの接触点は固定されるため、接触点での発熱を最小限に抑える必要があり、接触電気抵抗を最小化することが重要となる。このため、導電性のよい銅合金を使用する。また、万一接触点の温度が上昇した場合においても、溶損に至らないように溶融温度の高い銅合金を使用することが好ましい条件となる。
また、外部環境の影響により接触点の電気的接触の安定性が脅かされるといった懸念がある。具体的には、冬季に接触導体部６０の上部に積雪し、積雪の重量で接触導体部６０の架線１Ａへの押し付け力が低下した場合や、架線１Ａと接触導体部６０との接触点近傍が粉塵や鳥の糞等で汚損していた場合、接触点での接触抵抗が大きくなり発熱量が増大するといった懸念がある。
このため、パンタグラフ２Ａに設置された機構部６２は、接触導体部６０の押上げ力をパンタグラフ２Ｂよりも大きく設定することが好ましい条件となる。接触導体部６０と架線１Ａとの接触圧を、パンタグラフ２Ｂのそれよりも高くすることで、接触導体部６０と架線１Ａとの間の電気的接触をより確実にすることが可能となる。
なお、走行中に使用するパンタグラフ２Ｂは、走行による摩擦により接触導体部６０と架線１Ｂとの間の異物は除去され、積雪の心配もない。したがって、接触導体部６０と架線１Ｂとの接触圧をそれほど大きくしなくても電気的接触の安定性の確保が可能となる。
もしパンタグラフ２Ｂにおいて、フレーム６１の押し上げ力を大きくした場合、架線１Ｂとの摩擦力が大きくなり架線１Ｂの磨耗増加を招くほか、架線１Ｂの上方への押し上げ量が増加することになり、架線１Ｂの上部に設けられた構造物（たとえば跨線橋）等への接触の懸念が生じるため、架線１Ｂの張力を増加させる等の対策が必要となる。このため、パンタグラフ２Ｂの接触導体部６０の押し上げ力を大きくすることは、あまり好ましくない。
つぎに、架線１Ａについて説明する。架線１Ａは、図４のＢ図に示すように、電気車１０の進行方向に並列に２本設けられ、それぞれが接触導体部６０に接するように構成されている。なお、図４に示す２本に限定されず、２本以上の複数本設けてもよい。また、複数の架線１Ａは、互いに電気的に接続され、変電所７０からの電圧供給を受ける。
このように、複数の架線１Ａが接触導体部６０と接するように構成することで、たとえば架線１Ａのうち１本にビニール等の異物が付着していた場合等で、著しく電気的接触が悪化する状況が発生しても、残りの架線１Ａが接触導体部６０と接することができ、安定した集電が可能となる。
なお、パンタグラフ２Ａの接触導体部６０を２本以上の複数本設ける（図４の図では２本を例示）ことによっても、架線１Ａとの接触を確実にすることができ、安定した集電が可能となる。
また、電気車１０にパンタグラフ２Ａを複数台設けて、複数台を互いに電気的に接続しても同じ効果を得ることができる。ただし、パンタグラフ搭載数が増加して電気車１０の重量が重くなり、屋根上のスペースも要するといった不利点に配慮する必要がある。
さらに、図示は省略しているが、架線１Ａは、パンタグラフ２Ａの押し上げ力により多少上方へ持ち上がるようにしておき、一定量持ち上がった場合にのみ、図示しない位置検出器でこれを検出して、変電所７０から架線１Ａに電圧を印加する構成としてもよい。このように構成すれば、接触導体部６０と架線１Ａとの間の接触力が確実に存在する場合にのみ、パンタグラフ２Ａに電力を供給できる効果があり、より安定した集電が可能となる。
つぎに、制御部１５の構成を説明する。図５は、本発明の実施の形態における制御部１５の構成例を示す図である。
図５に示すように、制御部１５は、パンタグラフ電圧ＥＳを入力し、パンタグラフ電圧ＥＳの異常を判定して、その結果を判定信号ＥＳＤとして出力するパンタグラフ電圧異常判定部２０と、リアクトル電圧ＤＶを入力し、リアクトル電圧ＤＶの異常を判定して、その結果を判定信号ＤＶＤとして出力するリアクトル電圧異常判定部２１と、接触導体部６０の温度検出信号ＴＨを入力し、温度の異常判定を行い、その結果を判定信号ＴＨＤとして出力する温度判定部２２と、状態検出信号ＰＳを入力し、パンタグラフ２Ａの昇降状態を判定して、その結果を判定信号ＰＳＤとして出力する昇降判定部２３と、パンタグラフ昇降指令ＰＣと状態検出信号ＰＳとを入力し、パンタグラフ２Ａの接触導体部６０の溶着状況を判定して、その結果を判定信号ＭＤＤとして出力する溶着判定部２４と、これら判定信号ＥＳＤ、ＤＶＤ、ＴＨＤ、ＰＳＤの論理和をとり、その結果ＥＲ０を出力する論理和回路２７と、電気車１０が停車中を示す停車信号ＳＴとＥＲ０との論理積をとり、その結果ＥＲ１を出力する論理積回路２８と、停車信号ＳＴの論理反転をとり、その結果ＳＴＢを出力する論理反転回路２５と、ＳＴＢがオン（Ｈ）レベルとなった場合に、強制降下基本信号ＰＤＳを出力する強制降下制御部２６と、強制降下基本信号ＰＤＳを入力し、所定時間だけ遅延させて強制降下信号ＰＤを出力する遅延回路３０と、論理積回路２８の出力ＥＲ１と、判定信号ＭＤＤと強制降下基本信号ＰＤＳとの論理和をとる論理和回路２９と、論理和回路２９の出力信号を論理反転させ、判定信号ＥＲを出力する論理反転回路３１と、判定信号ＥＲと、別途生成された基本オンオフ信号ＫＣ０との論理和をとり、オンオフ信号ＫＣとして出力する論理積回路３２と、判定信号ＥＲと、別途生成された基本制御信号ＧＣ０との論理和をとり、制御信号ＧＣとして出力する論理積回路３３と、を含んで構成される。
このように構成された制御部１５の動作を説明する。パンタグラフ電圧異常判定部２０では、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態の程度を示す物理量であるパンタグラフ電圧ＥＳに基づいて、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態の異常判定を行う。
図６は、本発明の実施の形態におけるパンタグラフ電圧ＥＳとその微分値の波形例を示す図である。図６に示すように、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触が不良となった場合、接触抵抗が変化したり、アークが発生し、図６中に破線で示したとおり電圧が変動する。パンタグラフ電圧異常判定部２０では、パンタグラフ電圧ＥＳの微分値（変化率）を求め、これが判定値以内に存在するか、否かを監視する。パンタグラフ電圧ＥＳの微分値（変化率）が判定値外の値をとった場合、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触が不良（異常）であると判断して判定信号ＥＳＤをオン（Ｈレベル）とする。
なお、パンタグラフ電圧ＥＳの微分値（変化率）に基づいて異常判定を行うほか、パンタグラフ電圧ＥＳをハイパスフィルタに通し、接触不良状態に起因して発生する電圧変動成分（周波数成分）を抽出して、これに基づいて異常判定を実施する構成としてもよい。
リアクトル電圧異常判定部２１では、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態の程度を示す物理量であるリアクトル電圧ＤＶに基づいて、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態の異常判定を行う。
図７は、本発明の実施の形態におけるリアクトル電圧ＤＶの波形例を示す図である。図７に示すように、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触が不良となった場合、接触抵抗が変化したり、アークが発生し、図７中に破線で示したとおり電圧が変動する。リアクトル電圧異常判定部２１ではリアクトル電圧ＤＶが判定値以内に存在するか、否かを監視する。リアクトル電圧ＤＶが判定値外の値をとった場合、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触が不良（異常）であると判断して判定信号ＤＶＤをオン（Ｈレベル）とする。
なお、パンタグラフ電圧異常判定部２０での処理と同様にリアクトル電圧ＤＶの微分値（変化率）に基づいて、異常判定を行ってもよい。またリアクトル電圧ＤＶをハイパスフィルタに通し、接触不良状態に起因して発生する電圧変動成分（周波数成分）を抽出して、これに基づいて異常判定を実施する構成としてもよい。パンタグラフ電圧異常判定部２０と、リアクトル電圧異常判定部２１は、少なくとも片方を備える構成でもよい。
そのほかの構成として、図示しないが、フーリエ変換等の手段でパンタグラフ電圧ＥＳあるいはリアクトル電圧ＤＶに含まれる周波数の分析を行い、予め明確にしておいたアークが発生している状態で生じる周波数分布の特徴との比較照合を行って、その結果により、パンタグラフ電圧異常判定部２０あるいはリアクトル電圧異常判定部２１において、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触が不良（異常）であると判断して判定信号ＥＳＤあるいは判定信号ＤＶＤをオン（Ｈレベル）とする構成としても良い。
温度判定部２２では、接触状態の程度を示す物理量である温度検出信号ＴＨが接触導体部６０の過温度を示している場合に、判定信号ＴＨＤをオン（Ｈレベル）とする。
昇降判定部２３では、接触状態の程度を示す物理量である状態検出信号ＰＳが接触導体部６０の上昇位置が所定値以下であり、架線１Ａに接していない状態を示している場合に、判定信号ＰＳＤをオン（Ｈレベル）とする。
論理和回路２７では、上記の判定信号ＥＳＤとＤＶＤとＴＨＤとＰＳＤとの論理和をとる。このように構成することで、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態が異常である場合に発生しうる事象のうちどれかが発生した場合に、架線１Ａと接触導体部６０との接触状態が異常であると判断して判定信号ＥＲ０を出力する。
つぎに、論理積回路２８にて、電気車１０が停車中であることを示す停車信号ＳＴとの論理積をとり、判定信号ＥＲ１を出力する。このように構成することで、電気車１０が通常の電化区間を走行中における架線１Ｂとパンタグラフ２Ｂとの間の離線や、電圧変動による不要な異常検出を回避し、電気車１０が停車中である場合のみに異常検出機能を有効とすることができる。
判定信号ＥＲ１がオン（Ｈレベル）となった場合、架線１Ａと接触導体部６０との間の電気的接触状態に異常があるものと判断されるので、論理和回路２９、論理反転回路３１を介して、判定信号ＥＲを出力し、別途生成された基本オンオフ信号ＫＣ０と基本制御信号ＧＣ０によらず、オンオフ信号ＫＣと制御信号ＧＣとを強制的にオフとすることで、電力変換装置１２を停止させるとともに、開閉部１１をオフして主回路電流を遮断する。このように構成することで、パンタグラフ２Ａに電流が流れないように保護し、異常範囲の拡大を回避することが可能となる。
つぎに、溶着判定部２４では、たとえば電気車１０の急速充電が完了し、パンタグラフ昇降指令ＰＣが下降を指示しているにも関わらず、状態検出信号ＰＳが接触導体部６０と架線１Ａとが接した状態を継続している旨の信号を出力している場合、接触導体部６０と架線１Ａとが溶着しパンタグラフ２Ａの降下が不能であると判断して判定信号ＭＤＤをオン（Ｈレベル）とする。
判定信号ＭＤＤがオン（Ｈレベル）となった場合、架線１Ａと接触導体部６０との間で発生したアーク等により、両者が溶着したと判断し、論理和回路２９、論理反転回路３１を介して、判定信号ＥＲを出力し、別途生成された基本オンオフ信号ＫＣ０と基本制御信号ＧＣ０によらず、オンオフ信号ＫＣと制御信号ＧＣとを強制的にオフとすることで、電力変換装置１２（特にインバータ回路）の起動を禁止して電動機１６への通電を禁止するとともに、開閉部１１をオフして主回路電流を遮断する。このように構成することで、パンタグラフ２Ａが架線１Ａと溶着した状態で電気車１０が起動し、パンタグラフ２Ａを破壊することを回避し被害の拡大を回避することが可能となる。なお、電動機１６への通電を禁止し、かつ開閉部１１をオフして主回路を切断しても、電気車１０が移動することは好ましくない。このため、電気車の走行を禁止する処置を講ずることが好ましい。
つぎに、強制降下制御部２６では、たとえば電気車１０がパンタグラフ２Ａを上昇させて急速充電中に、電気車１０のブレーキが緩む等して、あるいは意図的に操作して電気車１０が動いた場合に、強制降下基本信号ＰＤＳをオン（Ｈレベル）とする。これにより、論理和回路２９、論理反転回路３１を介して、判定信号ＥＲを出力し、別途生成された基本オンオフ信号ＫＣ０と基本制御信号ＧＣ０によらず、オンオフ信号ＫＣと制御信号ＧＣとを強制的にオフとすることで、電力変換装置１２をオフするとともに、開閉部１１をオフして主回路電流を遮断する。
この後、遅延回路３０にて設定した遅延時間が経過した後、強制降下信号ＰＤが出力され、パンタグラフ２Ａを降下させる。ここで、遅延回路３０の遅延時間は、開閉部１１と電力変換装置１２とがオフ状態となるまでの時間以上に設定しておく。このようにすることで、電気車１０が区間Ｃを逸脱するまえにパンタグラフ２Ａを降下格納することが可能となる。その結果、パンタグラフ２Ａが架線１Ａの存在しない場所で上昇し、上昇限界を超えて破損に至るといった状況を回避することが可能となる。
なお、遅延回路３０で強制降下基本信号ＰＤＳのオンタイミングから強制降下信号ＰＤをオンするまでの時間を確保することで、電力変換装置１２と開閉部１１を停止させて主回路電流をゼロとした後にパンタグラフ２Ａの降下が開始されるので、パンタグラフ２Ａの接触導体部６０と架線１Ａの離線によって電流を遮断することがなくなり、パンタグラフ２Ａと架線１Ａとの間にアークが発生して溶損する事態を回避することが可能となる。
なお、遅延回路３０を設けるほか、開閉部１１と電力変換装置１２とからオンオフ状態を示すフィードバック信号（図示せず）を受けて、開閉部１１と電力変換装置１２のオフを確認してから強制降下信号ＰＤをオンするようにインターロック回路を構成しても同様の効果が得られる。
また、架線１Ａと接触導体部６０との電気的接触の異常を検出する方法としては、サーモビュア等（図示せず）により間接的に接触導体部６０の温度を検出して、これに基づいて判定信号ＴＨＤをオン（Ｈレベル）とする構成としてもよいし、架線１Ａと接触導体部６０との間に発生したアーク光を、図示しない光センサで検出し、検出値が所定以上である場合に、接触導体部６０の温度が高温であるとして、判定信号ＴＨＤをオン（Ｈレベル）とする構成としてもよい。
なお、実施の形態で示した構成では、停車中の急速充電時に使用するパンタグラフ２Ａと、走行中の架線集電に使用するパンタグラフ２Ｂとを電気車１０に搭載する形態で説明したが、パンタグラフ２Ａとパンタグラフ２Ｂの両方の特性を兼ね備えた別のパンタグラフと共用してもよい。この場合でも、本発明の実施の形態に示した構成が適用できるのは言うまでもない。
また、急速充電電流が少ない場合等では、パンタグラフ２Ａの代わりにパンタグラフ２Ｂで代用してもよい。この場合でも、本発明の実施の形態に示した構成が適用できるのは言うまでもない。
以上のように構成したので、架線が無い区間における走行、停車中の電力貯蔵素子への充電、架線のある区間における走行の各モードに好適で、特に電気車が停車中にける電力貯蔵素子への急速充電を、安定して行うことのできる電気鉄道システムを提供できる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
以上のように、本発明にかかる電気鉄道システムは、電気車が停車中における電力貯蔵素子への急速充電を、安定かつ安全に行うことのできる発明として有用である。
図１は、本発明の実施の形態における電気鉄道システムの構成例を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態における電気車の構成例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態における電力変換装置１２の構成例を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態におけるパンタグラフ２Ａと架線１Ａの構成例を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態における制御部１５の構成例を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態におけるパンタグラフ電圧とその微分値の波形例を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態におけるリアクトル電圧の波形例を示す図である。
１Ａ，１Ｂ 架線
２Ａ，２Ｂ パンタグラフ
３ 車輪
４ レール
５ 状態検出部
６ 温度検出部
１０ 電気車
１１ 開閉部
１２ 電力変換装置
１３ 電力貯蔵装置
１５ 制御部
１６ 電動機
１７ 電圧検出器
２０ パンタグラフ電圧異常判定部
２１ リアクトル電圧異常判定部
２２ 温度判定部
２３ 昇降判定部
２４ 溶着判定部
２５ 論理反転回路
２６ 強制降下制御部
２７ 論理和回路
２８ 論理積回路
２９ 論理和回路
３０ 遅延回路
３１ 論理反転回路
３２，３３ 論理積回路
４０ リアクトル
４１ コンデンサ
４２ 電圧検出器
５０ 駅
６０ 接触導体部
６１ フレーム
６２ 機構部
７０ 電源

Claims (26)

  1. 電気車と、前記電気車に電力を供給する電力供給装置とを含んで構成される電気鉄道システムにおいて、
    前記電力供給装置は、
    電源と、
    前記電源に接続された架空導体部と、
    を備え、
    前記電気車は、
    前記電気車の屋根上に設置され、前記架空導体部に接触可能な接触導体部を有し、外部からの指令に基づいて前記接触導体部の上昇動作および下降動作が可能な集電部と、
    前記集電部に接続され、電力の供給経路である主回路の開閉を行う開閉部と、
    前記開閉部に接続され、電力変換を行う電力変換装置と、
    前記電力変換装置に接続され、電力の貯蔵を行う電力貯蔵装置と、
    前記電力変換装置により駆動され、前記電気車を駆動する電動機と、
    少なくとも前記開閉部を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする電気鉄道システム。
  2. 前記制御部は、前記架空導体部と前記接触導体部との接触状態の程度を示す物理量に基づいて、前記開閉部および前記電力変換装置のオンオフ制御を行う構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気鉄道システム。
  3. 前記制御部による前記開閉部および前記電力変換装置に対するオンオフ制御は、前記電気車が停止している場合に限り実行されることを特徴とする請求項２に記載の電気鉄道システム。
  4. 前記電気車は、
    前記集電部の前記接触導体部を介して前記架空導体部から印加された電圧を検出する電圧検出器をさらに備え、
    前記制御部は、前記電圧検出器により検出された電圧を前記物理量の一つとして前記開閉部および前記電力変換装置のオンオフ制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の電気鉄道システム。
  5. 前記電気車は、
    前記集電部の前記接触導体部を介して前記架空導体部から印加された電圧を検出する電圧検出器をさらに備え、
    前記制御部は、前記電圧検出器により検出された電圧に基づいて算出された電圧の変化率を前記物理量の一つとして前記開閉部および前記電力変換装置のオンオフ制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の電気鉄道システム。
  6. 前記制御部は、前記電圧の変化率が所定値以上である場合に、前記開閉部および前記電力変換装置をオフに制御することを特徴とする請求項５に記載の電気鉄道システム。
  7. 前記電力変換装置が、入力側にリアクトルとコンデンサとを含む入力フィルタを備えた構成の場合に、
    前記制御部は、前記リアクトルに印加された電圧を前記物理量の一つとして前記開閉部および前記電力変換装置のオンオフ制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の電気鉄道システム。
  8. 前記制御部は、前記リアクトルに印加された電圧の変化率を前記物理量の一つとして前記開閉部および前記電力変換装置のオンオフ制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の電気鉄道システム。
  9. 前記制御部は、前記リアクトルに印加された電圧の変化率が所定値以上である場合に、前記開閉部および前記電力変換装置をオフに制御することを特徴とする請求項８に記載の電気鉄道システム。
  10. 前記集電部は、前記架空導体部と前記接触導体部とが接触しているか否かを検出する状態検出部を備え、
    前記制御部は、前記状態検出部による検出信号を前記物理量の一つとして前記開閉部および前記電力変換装置のオンオフ制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の電気鉄道システム。
  11. 前記制御部は、前記状態検出部により検出された検出信号が、前記架空導体部と前記接触導体部とが接触していない旨を表す信号である場合に、前記開閉部および前記電力変換装置をオフに制御することを特徴とする請求項１０に記載の電気鉄道システム。
  12. 前記集電部は、前記接触導体部の温度を検出する温度検出部を備え、
    前記制御部は、前記温度検出部により検出された検出信号を前記物理量の一つとして前記開閉部および前記電力変換装置のオンオフ制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の電気鉄道システム。
  13. 前記制御部は、前記温度検出部により検出された前記接触導体部の温度が所定値以上である場合に、前記開閉部および前記電力変換装置をオフに制御することを特徴とする請求項１２に記載の電気鉄道システム。
  14. 前記集電部は、前記架空導体部と、前記接触導体部とが接しているか否かを検出する状態検出部を備え、
    前記接触導体部を降下させる指令を前記集電部へ入力したにも関わらず、前記状態検出部により検出された検出信号が、前記架空導体部と前記接触導体部とが接触した状態を継続している旨を表す信号である場合に、前記制御部は、前記電気車の走行を禁止するように制御することを特徴とする請求項１に記載の電気鉄道システム。
  15. 前記制御部は、前記集電部の降下を指示する強制降下制御部と、該強制降下制御部の出力を遅延させる遅延回路とを備え、
    前記集電部を上昇して該電気車の充電中に該電気車が動いた場合、前記制御部は前記開閉部および前記電力変換装置をオフに制御するとともに、遅れて該集電部を降下させることを特徴とする請求項１に記載の電気鉄道システム。
  16. 前記集電部を上昇して前記電気車の充電中に該電気車が動いた場合、前記制御部は前記開閉部および前記電力変換装置をオフに制御するとともに、前記遅延回路にて設定した遅延時間の経過後に、前記集電部を降下させることを特徴とする請求項１５に記載の電気鉄道システム。
  17. 前記集電部は、前記接触導体部と前記架空導体部との接触部の位置を検出する位置検出器を備え、
    前記架空導体部は、前記集電部からの押し上げ量が所定値以上の場合に、前記電源との間で電気的接続がとられるように構成されることを特徴とする請求項１〜１６の何れか１項に記載の電気鉄道システム。
  18. 前記架空導体部は、該架空導体部と前記接触導体部とが複数個所で接触するように、並列して複数設けられたことを特徴とする請求項１〜１７に記載の電気鉄道システム。
  19. 前記接触導体部は、該接触導体部と前記架空導体部とが複数個所で接触するように、前記集電部に複数設けられたことを特徴とする請求項１〜１８に記載の電気鉄道システム。
  20. 前記電気車が走行中の場合と、停止中の場合とで選択的に使用できるように前記集電部を複数設けたことを特徴とする請求項１に記載の電気鉄道システム。
  21. 前記電気車が停止中に使用する前記集電部の前記接触導体部と前記架空導体部との接触力は、前記電気車が走行中に使用する前記集電部の前記接触導体部と前記架空導体部との接触力よりも大きな値に設定したことを特徴とする請求項２０に記載の電気鉄道システム。
  22. 前記電気車が停止中に使用する前記集電部の前記接触導体部の材料は、前記電気車が走行中に使用する前記集電部の前記接触導体部の材料よりも、導電率の高い材料であることを特徴とする請求項２０または２１に記載の電気鉄道システム。
  23. 前記電気車が停止中に使用する前記集電部の前記接触導体部の材料は、前記電気車が走行中に使用する前記集電部の前記接触導体部の材料よりも、溶融温度の高い材料であることを特徴とする請求項２０〜２２の何れか１項に記載の電気鉄道システム。
  24. 前記電気車が停止中に使用する前記集電部の前記接触導体部の材料は、前記電気車が走行中に使用する前記集電部の前記接触導体部の材料よりも、前記架空導体部に対する摩擦係数が大きな材料であることを特徴とする請求項２０〜２３の何れか１項に記載の電気鉄道システム。
  25. 通常の電化区間と、急速充電用の区間とで異なる架空導体部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電気鉄道システム。
  26. 前記電気車が停止中に使用する前記架空導体部の材料は、前記電気車が走行中に使用する前記架空導体部の材料よりも、断面積が大きく剛性の高い材料であることを特徴とする請求項２５に記載の電気鉄道システム。
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