KR20000052664A - 전류집전자와 캐터너리 사이의 접촉력변화 감소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접촉력을 조절하여 보우가 구비된 전기견인차량의 전류집전자와 캐터너리 사이의 저주파수 및 고주파수 접촉력변화를 감소시키는 장치에 관계한다. 보우(10) 부분에서, 자체-조절형 조정기의 작용을 받는 액추에이터(13)는 예정된 정지압력 이외에, 운전시의 액추에이터의 힘을 접촉스트립(11)에 직접 혹은 간접전달할 수 있도록 또한 이 힘이 접촉력변화 방향과 반대로 작용하도록 배치된다.

Description

전류집전자와 캐터너리 사이의 접촉력변화 감소장치 {DEVICE FOR REDUCING CONTACT FORCE VARIATIONS BETWEEN A CURRENT COLLECTOR AND A CATENARY}

공지기술에서, 캐터너리의 강도를 증가시켜, 즉 마스트간 거리를 단축하거나 라인의 단면적을 증가하여 캐터너리의 강도를 증가시키는 시도가 있었다. (Becker, K. Resch U., Zweig B.-W.; "Optimlerung von Hochgeschwindigkeltsoberleltungen" [*Optimization of High-Speed Catenaries"] in Elektr. Bahnen, 93(1994), H. 9, S.243-248). 그러나, 이러한 방법은 라인의 시그먼트 전체에 적용해야하므로 설비비용 및 노동력이 크게 요구된다. 또다른 접근법은 전류집전자에 대한 경합금구조물을 더 많이 사용하는 것이다 (Daimler-Benz Industrie AEG: Brochue on the DSA 350 SEK Current Collector; 1995). 이 경우 비용문제 때문에 전류집전자 사용할 때 그 범위가 제한된다.

접촉력변화는 특히 전류집전자에 가해진 공기역학하중의 변화가 원인이다. 이러한 접촉력변화를 감소시키기 위해서, 종래에는 2중 팬터그래프형 전류집전자를 발표했다. 이 집전자는 보우를 지지하여 수직이동시킬 수 있고 팬터그래프 접촉스트립과 캐터너리 간의 특정값의 접촉력변화가 있을 경우 리프트 또는 반대리프트를 제공할 전개형 날개기소가 포함된다 (DE-05 23 63 683).

종래기술은 또한 연결로드, 상하부아암, 또한 상부아암과 "미니 전류집전자" 사이에 위치한 액추에이터 실린더를 이용해 조정할 수 있는 상부아암상의 미니 전류집전자로 구성된 전류집전자를 포함한다. 미니 전류집전자의 목적은 관성력이 거의 없이 고속에서도 소정의 압력으로 캐터너리에 대해 집전자를 압축시킬 수 있게하는 캐터너리의 동작을 따르는 것이다. 센서로 미니 전류집전자와 캐터너리간의 부가된 힘을 측정한다. 부가된 힘의 실제값을 지정값과 비교하여 액추에이터 실린더에 동작신호를 방출할 I-컨트롤러(적분 컨트롤러)에 가해진 제어편차를 구한다 (DE-05 21 65 813). 전류집전자는 상술한 것과 유사하게 2단으로 구성되며 1개의 팬터그래프만 가진 전류집전자보다 상대적으로 복잡하고 비용이 크다.

1개의 팬터그래프를 가진 전류집전자와 캐터너리 사이의 접촉력을 실제로 변화시려는 초기의 시도는 심지어 차량이 움직이는 상태이더라도 전류집전자를 위로 상승 혹은 하강시킬 수 있도록 유압식 벨로우의 동작을 조절하는 것이었다 (Schrenk, T.: Thesis-Fachhochschute Offenburg, Tasches, G.:Thesis- Fachhochschute Offenburg). 이 방식으로 달성한 주파수는 최대 1Hz 로서 이는 최대 400km/h 나 그이상의 속도로 일어나는 접촉력변화 혹은 저속이라도 다중접촉하는 경우의 접촉력변화를 보상하기는 불가능하다.

전류집전자와 캐터너리 간의 접촉력을 제어하기 위해서, 또한 종래의 기술은 접촉력이 특정값 이하로 떨어질 때 트리거(trigger) 작용을 하고 또한 접촉력을 증대시킬 호스팅장치를 제어할수 있는 광섬유센서를 접초스트립 밑에 설치할 수 있다고 발표하였다 (DE 38 31 177 A).

단일아암 팬터그래프 전류집전자에 대한 시험에서, 접촉력변화로 전류집전자에 유발된 병진운동은 전류집전자의 보우에 큰 영향을 미치고 반면 팬터그래프의 상하부 아암에 대해서는 거의 영향력이 없는 것으로 판단되었다 (Brand W., Thesis, Technical University of Munich, 1995).

본 발명의 목적은 전류집전자와 캐터너리간의 접촉력변화를 감소시키는 장치를 개발하는 것이다. 이에의해, 약 1Hz 혹은 그이상으로 변화치를 크게 감소시킬 수 있다.

본 발명은 적합한 컨트롤러의 지배를 받는 액추에이터 요소가 보우에 근접하여 위치하며 이 컨트롤러에 의해 예정된 정지인가력 이외의 인가력을 전류집전자의 팬터그래프 접촉스트립에 직접 혹은 레버메카니즘을 통해 간접으로 전달하고, 상기의 인가력은 동작구배(operating gradient)의 함수로서 접촉력변화와 반대방향임을 설명한다. 이 결과, 열차의 속도에 관계없이 접촉력변화의 범위가 극히 협소하게 유지되었다. 액추에이터 요소는 특히 전기모터, 리니어모터, 압전 혹은 압력-자기 액추에이터 또는 전자-유체학적 유체, 전자기학, 유압 혹은 공압식 액추에이터 등이 있다. 컨트롤러의 지배를 받는 액추에이터 요소는 하나 또는 그 이상의 센서에 연결되고 동작특성 혹은 부하조건의 정량적 수준에 적응한다. 액추에이터는 컨트롤러에 의해 개방 혹은 폐쇄 제어회로 내의 센서와 연결되며 따라서 예컨대, 액추에이터가 압전원리에 따라 작동할 경우 액추에이터는 센서기능도 수행할 수 있다.

제어될 외부변수는 접촉력이며, 접촉력의 예로서 팬터그래프 접촉스트립과 캐터너리 간의 인가력이나 또는 병진 혹은 진동에 의한 팬터그래프 접촉스트립의 가속화운동이 시간에 따라 변화한다.

한 바람직한 구체예에서, 액추에이터 요소는 지진형으로 고정된 지지부 상에 혹은 그 안에 정착한다. 지진형 고정부의 원리는 액추에이터가 수동조작에서, 자체조정식 고정부 때문에 팬터그래프 접촉스트립의 진동경로를 따를 수 있다는 점이다. 액추에이터 요소의 자체조정식 고정부의 공명주파수는 제어될 접촉력의 하한주파수보다 최소한 2옥타브가 낮기 때문에, 실제조작시 지진고정부가 간단히 차단되므로 액추에이터는 팬터그래프 접촉스트립에 대한 큰 동작거리와 계속해서 힘을 제공할 수 있다. 그러므로, 이 고정부가 있을 경우 액추에이터 요소에 의한 인가력 발생에 영향을 미치지 않고 팬터그래프 접촉스트립을 스프링작동길이만큼 이동할 수 있다.

접촉력은 가속력과 비례하므로, 팬타그래프 접촉스트립의 가속력을 제어신호로 사용할 수 있으며 따라서 트래킹필터를 이용하여 기본파와 제1 및 2 조화파를 통과시키고 여기서 얻어진 신호를 고역치 증폭기를 경유하여 PID-컨트롤러나 P-컨트롤러를 통해 압전 액추에이터로 보낸다. 가속력을 측정하기 위해, 가속센서를 팬터그래프 접촉스트립에 부가하거나 또는 압전 액추에이터 자체가 감지특성을 갖기 때문에 이것을 센서로 사용할 수도 있다.

제어회로에서, 액추에이터 요소의 상류에는 트래킹필터를 설치할 수 있으며 이것의 주파수는 열차의 속도를 마스트나 서스펜션요소간의 거리로 나눈 값으로 연속조정이 가능하다. 필터의 목적은 상술한 주파수를 제1 및 2 조화파와 함께 통과시키고 다른 주파수들은 필터링하기 위한 것이다. 전도성 혹은 차단성도 가질 수 있으나 반드시 필요한 것은 아니다. 트래킹필터는 보우의 자연주파수가 액추에이터에서 에너지를 받는 것을 차단하고 자체여기된다(self-excite). 트래킹필터는 또한 액추에이터의 불안정 경향을 막아준다. 마스트와 서스펜션요소간의 거리는 대체로 일정하므로 트레인속도만 측정하면 된다; 일정치않으면 마스트와 서스펜션요소간의 거리를 적당한 센서장치로 측정해야한다.

본 발명의 중요한 장점은 전류집전자와 캐터너리간의 접촉력변화를 제어방식 으로 최소화할 수 있다는 점 즉, 열차속도의 유사독립성에 있다. 다음같은 장점이 있을 수 있다:

1. 열차를 350km/h 의 속력 이상으로 운행할 수 있으며 전류집전자와 캐터너리간의 허용가능한 접촉력을 특정수준 이상으로 유지할 수 있다. 또한 과잉접촉력 즉, 특정값 이상의 접촉력으로 일으킨 팬터그래프 접촉스트립과 캐터너리의 마찰증가를 종래의 장치보다 상대적으로 더 감소시킬 수 있다.

2. 열차가 280km/h 초과 속력으로 운전될 때 1개이상의 전류집전자로 조작수행할 수 있다.

3. 팬터그래프 접촉스트립과 캐터너리의 마찰을 종래의 전류집전자 장치보다 상대적으로 더 감소시킬 수 있다.

기타의 세부사항과 본 발명의 특징 및 장점을 하기와 같이 첨부도면에 도시된 실시구체예를 참조하여 기술한다.

본 발명은 전기견인차량의 보우(bow)가 구비된 전류집전자와 캐터너리 사이의 접촉력변화를 조절하여 감소시키는 장치에 관계한다.

상기와 같은 장치는 DE 3033449 C2에서 발표된 바 있다. 이 장치의 전류집전자는 2단 팬터그래프 전류집전자 형태로서 캐터너리상의 전류집전자 보우에 의해 접촉하는 상단 팬터그래프와 또한 이 상단 팬터그래프를 지지하는 메인 팬터그래프를 구비한다. 상단 팬터그래프에 대응한 액추에이터 모터에는 접촉력을 일정하게 유지하기위한 제어기에서 발생한 신호가 공급된다. 제2 액추에이터 모터는 메인 팬터그래프와 연결되며 제1 액추에이터 장치의 이동을 시간에 따른 변화없이 일정하게 유지하기 위해 2 제어기로부터 신호를 공급받는다. 이 장치의 목적은 초고속이동시 캐터너리의 높이변화가 아주 큰 경우에도 접촉력을 일정하게 유지하기 위한 것이다. 종래의 2단 팬터그래프 전류집전자는 그러나, 팬터그래프를 1개만 사용하는 기존의 전류집전자와 비교할 때 비교적 복잡하고 비용도 많이든다.

고속고성능 전철차량의 최대속도를 제한하는 이유 중 하나는 전철속도의 증가시 전류집전자를 여자시키는(excite) 변화폭이 커지기 때문이다. 따라서, 정해진 제한속도나 그 이상이 되면 한편으론 전류집전자와 캐터너리간 접촉을 계속 보장하기 어렵고 또다른 한편으론 전류집전자와 캐터너리간 허용접촉력을 초과할 가능성이 있으며 이결과 전류집전자의 미끄럼부가 심하게 마찰된다. 이 제한속도는 일차적으로 전류집전자와 캐터너리로 구성된 장치의 부품강도와 또한 장치에 부여된 외부의 힘 간에 성립되는 관계의 함수이다. (운동하는 차체의 중력, 공기역학력, 복수의 견인력에 의한 캐터너리의 여자력 등)

도 1은 1단 팬터그래프 전류집전자의 개략측면도.

도 2는 도 1에서 나타낸 팬터그래프 전류집전자의 일부로서 보우의 영역에 관계된 계통적 측면도.

전력공급을 받은 차량의 루우프(1)에는 하부아암(3), 연결로드(4) 또한 상부아암(5)을 구비한 전류집전자(2)가 설치되어 있다. 연결로드(4)는 한 지점(6)에서 회전하도록 고정되고 하부아암은 지점(7)에 위치한다. 상부아암(5)은 하부아암 및 상부아암레버(9)와 함께 선회점(8)에 포지티브 혹은 반-포지티브 형태로 연결되며 상부아암레버는 연결로드(4)에 연결된다. 상부아암(5)의 상단부에 보우(10)가 회전장착되고 이것은 캐터너리(12)와 접촉할 적어도 하나의 팬터그래프 접촉스트립(11)을 지지한다.

보우의 실제적용에 따라, 하나이상의 액추에이터를 보우에 설치할 수 있다. 도1은 본 실시구체예에서 층적형 압전액추에이터 형태로 현실화할 수 있는 액추에이터(13)를 보여준다. 액추에이터(13)는 지지대(14)에 견고히 고정된다. 팬터그래프 접촉스트립(11)은 고체연결체 형태로 실현된 레버아암(15)상에 위치하며 레버아암(15)은 베어링요소(17)(18)간 피벗회전할 수 있도록 장착한다. 팬터그래프 접촉스트립(11)에서 멀리 떨어진 레버아암(15)의 말단에는 스프링(16)이 체결되어있고 다른쪽 말단은 지지대(14)에 연결된다.

스프링(16)은 한편으로는 팬터그래프 접촉스트립(11)을 캐터너리(12)에 대해 압축할 수 있고 다른 한편으로는 액추에이터(13)에 편향력을 부여하는 레버아암(15)에 힘을 제공한다. 압전 액추에이터에서 상기특징 중 후자는 작동범위를 더 효율적으로 활용할 수 있다는 장점을 가진다.

액추에이터(13)는 컨트롤러(18)을 내장한 적응제어회로에 위치한다. 제어된 변수의 실제값은 보우가속력에 비례하여 발생하는 접촉력변화치이며 이것은 전류집전자에 대한 상술한 특성주파수 즉 기본주파수와 제1 및 2 조화파만 전도하는 트래킹필터(28)에 들어간다. 필터된 신호는 다시 가산점(19)을 향하며 여기서 실제값과 설정점으로부터 제어편차가 생긴다. 또한 상기 신호는 컨트롤러(18)로 전송되며 컨트롤러의 하류에 있는 요소(20)는 컨트롤러의 출력신호를 액추에이터(13)에 제공하기에 앞서서 사전설정 컨트롤(21)의 신호출력에 따라 적절히 가변시킬 수 있다. 사전설정 컨트롤은 실제값, 설정점 및 요소(20)출력시의 액추에이터 신호에 의해 작동하고, 차량속도 변화시 나타나는 제어된 각종 장치특성에 맞게 컨트롤러 특성을 적응시킨다.

설정점은 평균접촉력에 관계한다.

정지인가력을 항상 측정할 필요는 없다. 인가력의 변화를 시간에 따라 측정하면 전류집전자 보우에서 가속력 측정치를 취할 수 있다. 가속력은 따라서 질량에 따라 증폭하는 변수이고, 액추에이터가 힘의 변화방향과 역의 방향이 되도록 액추에이터에 전달된다. 제어회로 설계시 액추에이터의 종류를 고려해야한다. 압전액추에이터: 단일 P-컨트롤러, 공압 및 유압식 액추에이터: 상컨트롤러와 결합된 P-컨트롤러나 PID-컨트롤러, 전자-유동학적 유체형 액추에이터: PID-컨트롤러.

철도차량에서 종래의 동작전압으로 액추에이터를 조작할 수 없는 경우, 고전압절연된 케이블에 의해 전압이 액추에이터(13)에 공급되며 이 케이블은 전류집전자의 상하부아암(35)의 바아를 나사통과한다. 고전압절연된 케이블은 철도차량의 동작전압에 의해 발생하는 전기장이 액추에이터(13)의 동작전압에 영향을 미치지 않도록 방지한다. 액추에이터(13)는 또한 조립방식에 따라 캐터너리에 고전압이 가해지지 않도록 차단한다.

액추에이터(13)는 고정부(22)로 전류집전자 혹은 보우(10)에 정착시켜 동작구배의 함수인 제어된 인가력을 팬터그래프 접촉스트립에 제공한다. 정지인가력 이외에도, 액추에이터(13)에 직접 혹은 레버메카니즘을 통해 간접적으로 제공된다. 팬터그래프 접촉스트립의 자체조정경로를 실제화하고 동시에 가변인가력을 제공하기 위하여, 액추에이터를 지진식으로 고정한다. 지진식 고정부는 지지대(14)와 연결된 스프링(23)(24) 또한 컵형이고 전류집전자의 상부관(27)에 대한 연결부를 구성하는 강성 연결부(26)를 구비한 하우징(25)으로 이루어진다. 지지대(14)는 상부아암(5)이 예컨대 스위치를 통과하는 것처럼, 차량에서 발생하는 진동을 수반할 때 지진식 고정부 때문에 짧은 거리만큼만 이동한다.

팬터그래프 접촉스트립과 캐터너리간의 접촉력은 인가력을 조정하기위해 측정한다. 개별 변위측정장치(즉, 광섬유센서 등), 팬터그래프 접촉스트립 밑에 부착된 개별 압전력 트랜스듀서를 이용하거나, 혹은 하기의 실시예와 같이, 압전 액추에이터(13) 자체를 통해 측정할 수 있다. 따라서, 팬터그래프 접촉스트립의 가속력을 입력변수로 사용하여 전류집전자의 보우를 조절할 수 있으며 이는 이값이 접촉력과 비례하기 때문이다.

진동유발시 최대 간섭진폭이 발생하는 접촉력 신호의 주파수분석에 근거하여, 열차속도를 캐터너리의 서스팬더나 마스트간의 거리로 나눈 주파수값을 결정하였다. 또다른 에너지를 공급했을 때 보우의 자연진동응답이 불안정하지 않도록, 트래킹필터를 제어회로속에 삽입한다. 트래킹필터는 열차운행속도의 변화가 컴퓨터프로세서의 속도와 비교할 때 상대적으로 작기때문에 유사실시간의 운행속도로 조정된다. 동시에, 트래킹필터의 진폭을 이용하여 필요한 제어력을 조정할 수 있다.

본 발명은 특히, 고속범위 및 다중경로일 때 단일아암 및 2중아암 팬터그래프 전류집전자에서 사용하기에 적합하다. 또한 본 발명은 전류집전자의 팬터그래프 접촉스트립과 캐터너리의 마모를 감소시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 전기견인차량의 보우를 지지하는 전류집전자와 캐터너리간의 저주파수 및 고주파수 접촉력변화를 접촉력조정을 이용하여 감소시키는 장치에 있어서,

   보우(10)에 근접하여 적응컨트롤러에 의한 영향을 받는 액추에이터요소(13)가 설치되고 예정된 정지인가력과 함께, 또다른 힘으로서 동작구배의 함수이고 접촉력변화의 방향과 반대방향인 액추에이터의 힘을 전류집전자(2)의 팬터그래프 접촉스트립(11)에 직접 혹은 간접으로 전달하는 것을 특징으로하는 접촉력변화 감소장치.
2. 제1항에 있어서,

   액추에이터요소(13)가 대형 액추에이터의 경로상에 직접 장착된 지지대(14)에 고정되거나 혹은 지진식으로 고정되는 것을 특징으로하는 접촉력변화 감소장치.
3. 제1항 또는 2항에 있어서,

   액추에이터요소(13)의 고정부(22)의 자연주파수가 접촉력조정을 위한 주파수 하한값보다 최소한 2옥타브 이상 낮은 것을 특징으로하는 접촉력변화 감소장치.
4. 전술한 항 중 하나이상의 항에 있어서,

   액추에이터요소(13)는 압전식, 공압식, 유압식 혹은 전자-유동학적 액추에이터이고, 팬터그래프 접촉스트립(11)과 캐터너리간의 접촉력을 측정하기 위해 이 요소에서 직접 혹은 또다른 부착센서에 의해 신호를 유발하는 것을 특징으로하는 접촉력변화 감소장치.
5. 제4항에 있어서,

   팬터그래프 접촉스트립과 캐터너리 간의 접촉력 혹은 팬터그래프 접촉스트립의 가속력은 제어회로속으로 들어가는 제어변수의 실제값으로 입력되며 제어변수는 팬터그래프 접촉스트립과 캐터너리간의 접촉력인 것을 특징으로하는 접촉력변화 감소장치.
6. 제5항에 있어서,

   제어회로가 P-동작 혹은 PID-동작을 하는 것을 특징으로하는 접촉력변화 감소장치.
7. 전술한 항 중 하나이상의 항에 있어서,

   액추에이터요소(13)가 장착된 제어회로에 트래킹필터가 설치되고 이 필터의 주파수는 열차속도를 캐터너리의 이웃한 마스터나 행거요소 사이의 거리로 나눈 값으로 연속조정되는 것을 특징으로하는 접촉력변화 감소장치.