KR20100105372A - 역간 선로 상에 급전 설비를 설치한 철도 시스템 - Google Patents

역간 선로 상에 급전 설비를 설치한 철도 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는, 차상에 축전 장치를 탑재한 철도 차량에 있어서, 열차 탑재에 필요 최소한의 축전 장치의 용량으로 근접역까지의 주행을 가능하게 하는 철도 시스템을 제공하는 것이다.
열차에 축전 장치를 탑재하고, 역간 급전 설비를 설치하고, 역간 급전 설비는 역 근방의 전차선과는 상이한 전원 계통으로부터 수전한 다른 계통의 전차선 또는 지상 충전 포스트에 의한 전원 설비이며, 역 및 역간 급전 설비 혹은 역간 급전 설비와 역간 급전 설비의 간격은 열차 탑재의 축전 장치의 최대 충전량으로 주행 가능한 거리의 범위로 한다. 또한, 역간 급전 설비를 설치한 장소에서, 열차에 탑재하는 축전 장치에 충전하는 것을 가능하게 함으로써, 열차 탑재에 필요한 축전 장치 용량을 저감하고, 또한 근접역까지의 주행을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 철도 시스템을 제공한다.

Description

역간 선로 상에 급전 설비를 설치한 철도 시스템{RAILWAY SYSTEM INSTALLING POWER SUPPLY FACILITY ON RAILROADS BETWEEN STATIONS}
본 발명은, 철도 차량의 구동 장치에 관한 것으로, 열차에 축전 장치를 탑재하고, 근접역까지의 주행을 가능하게 하는 철도 시스템 기술로 한다.
최근, 철도 차량에 있어서, 축전 기술을 활용한 에너지 절약화를 추진하는 움직임이 활발해지고 있다. 이 구체적인 예로서, 종래의 디젤 엔진만으로 구동하는 기동차에 대해서는, 구동계를 전차와 마찬가지로 인버터 장치에 의한 모터 제어로 하고, 엔진 발전 및 축전 장치에 의해 전력을 공급하는 하이브리드 기동차가 있다. 하이브리드 기동차는, 구동계의 전기화와 축전 장치의 탑재에 의해, 종래의 기동차에서는 불가능했던 회생 에너지의 재이용이 가능해져 에너지 절약화를 실현할 수 있다. 또한, 전차선에서 구동 전력을 공급하는 전기차에 있어서도, 차상에 축전 장치를 탑재하고, 축전 장치를 전원으로서 전기차의 주행을 행하도록 한 시스템이나, 회생 브레이크시에 역행(力行) 차량이 동일 섹션 내에 존재하지 않는 경우라도, 회생 에너지를 축전 장치에서 흡수하여 회생 실효를 방지하는 동시에, 축전 에너지를 역행시에 재이용함으로써 에너지 절약화를 도모하는 가선 하이브리드 시스템의 개발이 행해지고 있다.
하이브리드 기동차에 대해서는, 엔진에 의해 구동되는 발전 설비에 축전 장치를 병용하고, 또한 연료 전지에 전력 축적 장치를 병용하고, 유지 보수에 필요로 하는 인적 파워·비용을 억제하는 동시에, 지구 환경에 친화적인 철도 차량의 구동 장치를 제공하는 것을 목적으로 한 시스템 구성이, 일본 특허 출원 공개 제2004-282859호 공보에 개시되어 있다. 또한, 전차선과 충전 가능한 축전 장치를 병용하여, 특정한 장소에서 축전 장치의 충전을 가능하게 하고, 철도 노선의 일부 또는 전부의 구간에 있어서 전차선을 사용하지 않고 주행 가능한 전기차를 제공하는 것을 목적으로 한 시스템 구성이 일본 특허 출원 공개 제2002-281610호 공보, 일본 특허 출원 공개 제2005-86876호 공보에 개시되어 있다.
그러나 상기한 바와 같은 시스템은, 통상 운행시에 있어서 차상의 축전 장치의 전력을 이용하여 열차의 운행를 행하는 것으로, 전차선이 설치된 구간을 주행하는 철도 차량이, 전차선으로부터 전력을 급전할 수 없게 된 경우 등에, 역까지 안전하게 주행하는 것은 목적으로 하고 있지 않다.
[특허문헌1]일본특허출원공개제2004-282859호공보 [특허문헌2]일본특허출원공개제2002-281610호공보 [특허문헌3]일본특허출원공개제2005-86876호공보
전차선이 설치된 구간을 주행하는 철도 차량에 있어서, 전차선에 정전 등의 문제가 발생한 경우, 열차는 전차선으로부터 급전을 행할 수 없어, 주행 불가능하게 되어 있었다. 그로 인해, 열차가 역과 역의 사이에서 주행 불가능하게 된 경우에는, 승객을 선로 위로 내리게 하여 피난시킬 필요가 있었다. 그로 인해, 전차선에 정전 등의 문제가 발생한 경우라도, 열차를 역까지 주행시켜 승객을 역까지 데려다 주는 것이 요구되고 있다.
그러나 인근의 역까지 퇴피하기 위해, 열차에 축전 장치를 탑재하여 축전 장치의 전력량으로 열차를 구동하면, 예를 들어 비상 주행 구간이 평탄 구간인 경우에는, 가장 역간 거리가 긴 구간의 거리의 절반의 거리를 주행하는 데 필요한 축전 전력량이 필요해진다. 즉, 차상에 탑재하는 축전 장치의 용량이 대형화된다. 또한, 통상의 전차선이 있는 구간을 주행하는 열차에서는 전차선이 정전에 이르는 경우는 극히 드물어, 인근역까지 퇴피하는 비상 주행용으로 대용량의 축전 장치를 탑재하는 것은 경제적으로 불리해진다.
상기한 바와 같은 이유에 의해, 본 발명의 과제는 전원으로부터의 급전 경로에 이상이 발생한 경우에 근접역까지의 주행을 가능하게 하고, 또한 열차에 탑재된 축전 장치의 용량을 저감하는 철도 시스템을 제공하는 것이다.
역간 급전 설비는, 전차선이 있는 구간의 역간에 설치되고, 역 근방에 설치된 전차선과는 상이한 계통으로부터 수전(受電)한 전차선이나, 혹은 전차선과 상이한 계통으로부터 수전한 지상 충전 포스트로 한다.
특히 역 사이에 전차선이 연속적으로 설치되어 있는 경우에는, 전차선 전원을 섹션에 따라 상이한 전원 계통으로 해도 좋고, 전차선의 고장이나 정전시에 비상 주행을 실시하는 구간에 있어서, 역과 역간 급전 설비와의 간격 혹은 역간 급전 설비와 역간 급전 설비의 간격은 열차 탑재의 축전 장치의 최대 충전량으로 주행 가능한 거리의 범위로 한다. 여기서, 상기 지상 충전 포스트는, 전차선과 상이한 계통으로부터 수전한 급전 설비이며, 충전 포스트의 출력에는 그 출력을 열차에 접속하기 위한 케이블 및 접속 플러그(connecting plug)를 갖고, 근접 정지한 열차에 급전할 수 있도록 한다. 열차는, 상기 지상 충전 포스트로부터 수전하여, 차상의 축전 장치를 충전한다.
본 발명에 의해, 전원으로부터의 급전 경로에 이상이 발생한 경우에 근접역까지의 주행을 가능하게 하고, 또한 열차에 탑재된 축전 장치의 용량을 저감한 철도 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 역간 급전 설비의 설치 구성의 일 실시 형태의 예를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 역간 급전 설비의 설치 구성의 제1 실시 형태의 예를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 역간 급전 설비의 설치 구성의 제2 실시 형태의 예를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 전기차의 제어 장치와 지상 충전 포스트에 의한 일 실시 형태의 예를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 전기차의 제어 장치와 지상 충전 포스트에 의한 제2 실시 형태의 예를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 전기차의 제어 장치와 지상 충전 포스트에 의한 제3 실시 형태의 예를 도시하는 도면.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 설명해 간다.
도 1은 본 발명의 역간 급전 설비의 설치 구성의 개략 형태의 예를 도시하는 도면이다. 역간 급전 설비(1)는, 역(2) 근방의 전차선 또는 급전 설비와는 상이한 전원 계통으로부터 수전하여, 역(2)과 역(2) 사이에 설치한다.
여기서, 전차선이 연속해서 설치된 노선을 주행하는, 가선(架線)과 축전 장치의 하이브리드 철도 차량의 비상 주행을 실시하는 구간에 있어서는, 역(2) 및 역간 급전 설비(1), 혹은 역간 급전 설비(1)끼리의 간격은, 열차(3) 탑재의 축전 장치의 최대 충전량으로 주행 가능한 거리의 범위에 설치한다. 이에 의해, 열차(3)에 탑재하기 위해 필요한 축전 장치의 용량의 저감과 소형화를 실현할 수 있다. 축전 장치의 용량의 저감과 소형화에 의해, 차량에 탑재하는 축전 장치의 비용을 저감할 수 있고, 또한 차량의 중량을 저감하는 것에 수반되는 에너지 절약 운전도 가능해진다.
전차선이 없는 구간을 주행하는 가선과 축전 장치의 하이브리드 철도 차량에 있어서는, 역간 급전 설비(1)로 충전을 가능하게 함으로써, 역간의 주행에 있어서의 필요 최소한의 열차 탑재 축전 장치 용량을 저감할 수 있다.
역간 급전 설비(1)의 설치 장소는, 상술한 바와 같이 열차(3) 탑재의 축전 장치의 최대 충전량으로 주행 가능한 거리의 간격으로 설치하면 좋다. 보다 구체적으로는, 열차의 궤도의 거리, 또한 표고(標高)를 고려하여 역간 급전 설비(1)의 설치 장소를 정할 수 있다. 또한, 승객의 승차율이 많은 역 구간에서는, 주행에 필요한 전력량도 커지므로, 이 역 구간에서는 역간 급전 설비(1)의 설치 장소의 간격을 다른 역 구간보다도 좁게 설정해도 좋다.
도 2는, 본 발명의 역간 급전 설비의 설치 구성의 제1 실시 형태의 예를 도시하는 도면이다.
열차(8)가 노선에 연속해서 설치된 전차선(6a)의 전원을 구동용 전력원으로 하여 주행하고, 역(9a)과 역(9b) 사이에 역간 급전 설비(10a, 10b)를 각각 지점 A, 지점 B에 설치하는 경우를 도시한다.
여기서, L1은 역(9a)과 지점 A 사이의 거리, L2는 지점 A와 지점 B 사이의 거리, L3은 지점 B와 역(9b) 사이의 거리이고, L1, L2, L3의 각각은 열차(8)에 탑재된 축전 장치(5)에 의해 구동 전력을 공급한 경우의 주행 가능 거리보다도 작게 설정된다. 역간 급전 설비(10a, 10b)에는, 지상 충전 포스트(11a, 11b)를 설치하고 있고, 지상 충전 포스트(11a, 11b)는 전차선(6a)이 수전하고 있는 전원 공급 설비(7a)와는 상이한 전원 계통인 전원 공급 설비(7b, 7c)로부터 수전한다. 이에 의해, 역간 급전 설비(10a, 10b)에서 열차(8)에 탑재된 축전 장치(5)의 충전을 가능하게 한다.
역(9a)과 역(9b)의 사이를 열차(8)가 주행 중, 지점 C에서 전원 공급 설비(7a)로부터 수전한 전차선(6a)이 정전되어 송전이 정지한 경우, 열차(8)는 열차에 탑재된 축전 장치(5)를 구동용의 전력원으로서 역간 급전 설비(10b)가 설치된 지점 B까지 이동한다. 지점 B에서 열차(8)에 탑재된 축전 장치(5)를 충전하고, 축전 장치(5)를 구동용의 전력원으로 하여 역(9b)으로 퇴피를 하는 비상 주행을 행한다.
이에 의해, 열차(8)에 탑재하는 축전 장치(5)의 최대 축전 용량은, 역(9a) 또는 역(9b)까지를 주행하기 위해 필요한 용량, 즉 역(9a)과 역(9b)의 절반의 거리를 주행하기 위해 필요한 용량이 아니라, L1, L2, L3 중 가장 많은 용량을 필요로 하는 구간을 주행하기 위해 필요한 용량으로 하면 좋고, 비상 주행을 실시하기 위해 필요해지는 열차 탑재의 축전 장치의 용량을 저감하여 소형화를 실현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 역간 급전 설비의 설치 구성의 제2 실시 형태의 예를 도시하는 도면이다.
열차(8)가 노선에 연속해서 설치된 전차선(6b, 6c, 6d)의 전원을 구동용 전력원으로 하여 주행하고, 역(9a)과 역(9b) 사이에 역간 급전 설비(10c)를 설치하는 경우를 도시한다.
여기서, L4는 역(9a)과 지점 D 사이의 거리, L5는 지점 D와 지점 E 사이의 거리, L6은 지점 E와 역(9b) 사이의 거리이고, L4, L5, L6의 각각은 열차(8)에 탑재된 축전 장치(5)에 의해 구동 전력을 공급한 경우의 주행 가능 거리보다도 작게 설정된다.
전원 공급 설비(7d)와 전원 공급 설비(7f)의 사이에 역간 급전 설비(10c)를 설치한다. 역간 급전 설비(10c)는 역 근방의 전차선(6b) 혹은 전차선(6d)이 수전하고 있는 전원 공급 설비(7d) 혹은 전원 공급 설비(7f)와는 상이한 전원 계통인 전원 공급 설비(7e)로부터 수전한 전차선(6c)이다. 상기 전차선(6c)은, 섹션(12a)과 섹션(12b)에 의해 역 근방의 전원과는 다른 계통의 전원계로 한 전차선으로 한다. 이에 의해, 역간 급전 설비(10c)에서 열차(8)에 탑재된 축전 장치(5)의 충전을 가능하게 한다.
역(9a)과 역(9b)의 사이를 열차(8)가 주행 중에 지점 F에서 전원 공급 설비(7c)로부터 수전한 전차선(6b)이 정전된 경우, 열차(8)는 열차에 탑재된 축전 장치(5)를 구동용의 전력원으로 하여, 역(9a) 또는 역간 급전 설비(10c)가 설치되어 있는 지점 D 중 어느 쪽인가 가까운 쪽으로 이동한다. 지점 D로 이동한 경우, 열차(8)에 탑재된 축전 장치(5)를 전차선(6c)으로부터 급전을 받아 충전하고, 축전 장치(5)를 구동용의 전력원으로 하여 역(9a) 또는 역(9b)으로 퇴피를 하는 비상 주행을 행한다.
이에 의해, 열차(8)에 탑재하는 축전 장치(5)의 최대 축전 용량은, 역(9a) 또는 역(9b)까지를 주행하기 위해 필요한 용량, 즉 역(9a)과 역(9b)의 절반의 거리를 주행하기 위해 필요한 용량이 아니라, L4, L6 중 많은 용량을 필요로 하는 구간을 주행하기 위해 필요한 용량으로 하면 좋고, 비상 주행을 실시하기 위해 필요해지는 열차 탑재의 축전 장치의 용량을 저감하여, 축전 장치(5)의 소형화를 실현할 수 있다. 또한, 축전 장치(5)의 용량을, L5를 주행하는 데 필요한 축전 장치 용량보다 크게 함으로써, 지점 D로부터 지점 E의 구간을 주행 중에 역간 급전 설비(10c)가 정전이 된 경우라도, 역(9a) 또는 역(9b)까지 비상 주행에 의한 퇴피를 할 수 있다.
여기서, 도 3에 도시하는 수전 방식에 있어서는, 항상 전차선으로부터 수전하므로, 열차의 차상 설비에 통상 주행 이외의 특별한 기기는 필요로 하지 않는다. 그러나 도 2에 도시하는 지상 충전 포스트에 의한 수전 방식에 있어서는, 열차의 차상 설비에 통상 주행에서는 사용하지 않는 기기가 필요해진다.
그로 인해, 본 발명의 전기차의 제어 장치 및 도 2에 도시하는 지상 충전 포스트에 의한 수전의 일 실시 형태의 예를 도 4를 이용하여 설명한다.
차상(車上) 구동 시스템은, 축전 장치(13)와 승강압 초퍼 장치(14)와 인버터 장치(15)와 교류 전동기(16)와 집전 장치(17)와 차상측 접속 플러그 장치(18a)를 구비하고 있다. 지상 충전 포스트는, 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)와 퓨즈(20)와 지상 충전 포스트용 초퍼 장치(23)와 보호 회로(24)와 정류기(25)와 지상 충전 포스트용 축전 장치(30)와 상용 전원(22)을 구비하고 있다.
차상 구동 시스템의 인버터 장치(15)는, 전차선(21)으로부터 집전 장치(17)를 통해 공급되는 직류 전력 또는 승강압 초퍼 장치(14)로부터 공급되는 직류 전력을 입력으로 하여, 이것을 3상 교류 전력으로 변환하여 교류 전동기(16)로 출력한다. 교류 전동기(16)는 인버터 장치(15)가 출력하는 3상 교류 전력을 입력으로 하여, 이것을 축 토크로 변환하여 출력한다. 여기서, 도시하지 않은 제어 장치의 지령에 기초한 토크를 교류 전동기(16)가 출력하도록, 인버터 장치(15)는 인버터 장치(15)의 출력 전압 및 교류 전류 주파수를 가변 제어한다. 도시하지 않은 감속기는, 교류 전동기(16)의 축 토크 출력을 증폭하여 출력하고, 전기차의 차륜축을 구동하여 전기차를 가감속한다. 승강압 초퍼 장치(14)는 축전 장치(13)와 전차선(21)을 전기적으로 접속하도록 배치되어 축전 장치(13)에 접속되어 있다. 또한, 승강압 초퍼 장치(14)는 축전 장치(13)의 전압을 전차선(21)의 전원 전압으로 승압 또는, 전차선(21)의 전원 전압을 축전 장치의 전압으로 강압시킨다. 축전 장치(13)는 승강압 초퍼 장치(14)로부터의 직류 전력 출력이 입력되고, 또는 승강압 초퍼 장치(14)에 대해 직류 전력을 출력할 수 있도록 승강압 초퍼 장치(14)에 접속된다. 축전 장치(13)와 승강압 초퍼 장치(14) 사이의 직류부에는, 지상 충전 포스트(19)와의 접속을 가능하게 하는 차상측 접속 플러그 장치(18a)를 접속한다.
지상 충전 포스트(19)는 상용 전원(22)의 3상 교류 전력을 입력으로 하여 직류 전력으로 변환하여 출력하는 정류기(25)를 구비한다. 상용 전원(22)은, 전차선(21)의 전원과는 상이한 계통으로부터 수전하여, 3상 교류를 공급할 수 있는 전원이다. 상용 전원(22)과 정류기(25) 사이에는 과전류 등의 이상 동작시에 회로를 차단하는 보호용의 퓨즈(20)를 접속한다. 지상 충전 포스트용 초퍼 장치(23)의 입력측은, 정류기(25)의 직류 출력측과 접속되고, 지상 충전 포스트용 초퍼 장치(23)는 정류기(25)로부터의 입력 전압을 전압 변환하여 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)측으로 출력한다. 정류기(25)와 지상 충전 포스트용 초퍼 장치(23)의 사이에는, 이상 동작시에 회로를 차단하는 보호 회로(24)가 접속되어 있다. 여기서, 지상 충전 포스트용 초퍼 장치(23)의 입력측에는 정류기(25)의 출력측과 병렬로 지상 충전 포스트용 축전 장치(30)를 접속해도 좋다. 지상 충전 포스트용 초퍼 장치(23)의 출력측에는 차상 구동 시스템과의 접속을 가능하게 하는 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)를 접속한다. 차상 구동 시스템과 지상 충전 포스트(19)는, 차상측 접속 플러그 장치(18a)와 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b) 사이를 전용 케이블에 의해 접속한다.
이하에 본 실시예의 동작을 설명한다.
우선, 전차선(21)이 정상일 때에 대해 설명한다. 전차선이 연속해서 설치된 노선을 주행하는 열차는, 전기차를 가속할 때에는, 전차선(21)으로부터 직류 전력을 얻어 인버터 장치(15)에 의해 교류 전력을 출력하여, 교류 전동기(16)를 구동한다. 전기차를 감속할 때에는, 교류 전동기(16)가 브레이크 토크를 출력하도록 인버터 장치(15)를 회생 동작시키고, 인버터 장치(15)가 출력하는 회생 전력을 승강압 초퍼 장치(14)를 통해 축전 장치(13)에서 흡수하여, 축전 장치를 축전 가능한 최대 충전량이 되도록 한다.
전차선 정전시 등에 전차선(21)으로부터 전력을 공급할 수 없을 때에는, 승강압 초퍼 장치(14)가 출력하는 직류 전력 즉, 축전 장치(13)가 출력하는 직류 전력으로 인버터 장치(15)의 입력 전력을 부담한다. 이에 의해 전차선 정전시 등에 전차선(21)으로부터 전력을 공급할 수 없을 때에도 전기차를 가속할 수 있어, 역까지의 퇴피 주행을 행하는 비상 주행을 실시할 수 있다. 전기차를 감속할 때에는, 교류 전동기(16)가 브레이크 토크를 출력하도록 인버터 장치(15)를 회생 동작시키고, 인버터 장치(15)가 출력하는 회생 전력을 승강압 초퍼 장치(14)를 통해 축전 장치(13)에서 흡수한다. 축전 장치(13)에서 회생 전력을 흡수할 수 없을 때에는, 저항기에서 회생 전력을 소비시키거나, 또는 공기 브레이크 등을 이용하여 기계적으로 감속한다.
다음에, 전차선(21)의 정전이나 집전 장치(17)의 고장 등에 의해 전차선(21)으로부터 전력을 공급할 수 없는 경우에 차상측의 축전 장치(13)를 충전할 때에 대해 설명한다. 이때는, 열차를 지상 충전 포스트(19)가 배치되어 있는 장소에 근접 정차시키고, 차상 구동 시스템측의 차상측 접속 플러그 장치(18a)와 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)를 전용 케이블을 이용하여 접속한다. 축전 장치(13)의 입력 전력은, 상용 전원(22)에 의해 부담한다. 여기서, 축전 장치(13)의 입력 전력은 직류의 소정의 전압 범위일 필요가 있으므로, 정류기(25)가 상용 전원(22)의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 지상 충전 포스트용 초퍼 장치(23)가 직류 전력을 소정의 전압 범위로 전압 변환시키고, 지상 충전 포스트는 축전 장치(13)의 축전량이 일정 범위 내가 될 때까지 충전한다.
또한, 지상 충전 포스트용 초퍼 장치(23)의 입력측에 지상 충전 포스트용 축전 장치(30)를 접속한 경우에는, 축전 장치(13)의 입력 전력을 지상 충전 포스트용 축전 장치(30)에 의해 부담하는 것도 가능하다. 이 경우, 열차로의 급전의 기회는 매우 낮은 빈도이기 때문에, 지상 충전 포스트용 축전 장치(30)의 충전은 긴급을 필요로 하지 않으므로, 상용 전력으로부터의 입력 회로는 소용량의 설비로도 충분하여, 설비 투자가 저렴한 등의 효과가 있다. 또한, 상용계의 일시적 문제시에 있어서도 열차로의 급전은 가능하여, 비상시의 전력원으로서의 효과는 높다.
지상 충전 포스트용 축전 장치(30)를 구비함으로써 상술한 효과가 있지만, 지상 충전 포스트용 축전 장치(30)를 구비하지 않는 구성에 있어서도, 당연히 상용 전원(22)으로부터 축전 장치(13)의 충전은 가능하다.
다음에, 본 발명의 전기차의 제어 장치 및 도 2에 도시하는 지상 충전 포스트에 의한 수전의 제2 실시 형태의 예를 도 5를 이용하여 설명한다.
차상 구동 시스템의 인버터 장치(15)는, 승강압 초퍼 장치(14) 또는, 전차선(21)으로부터 출력되는 직류 전력을 입력으로 하여 이것을 3상 교류 전력으로 변환하여 교류 전동기(16)로 출력한다. 교류 전동기(16)는 인버터 장치(15)가 출력하는 3상 교류 전력을 입력으로 하여 이것을 축 토크로 변환하여 출력한다. 여기서, 도시하지 않은 제어 장치의 지령에 기초한 토크를 교류 전동기(16)가 출력하도록, 인버터 장치(15)는 인버터 장치(15)의 출력 전압 및 교류 전류 주파수를 가변 제어한다. 도시하지 않은 감속기는, 교류 전동기(16)의 축 토크 출력을 증폭하여 출력하고, 전기차의 차륜축을 구동하여 전기차를 가감속한다.
승강압 초퍼 장치(14)는, 축전 장치(13)의 전압을 전차선(21)의 전원 전압으로 승압 또는 전차선(21)의 전원 전압을 축전 장치의 전압으로 강압시킨다. 승강압 초퍼 장치(14)는, 축전 장치(13)와 전차선(21)을 전력적으로 접속 가능하게 하도록 축전 장치(13)에 접속된다. 여기서, 축전 장치(13)는, 승강압 초퍼 장치(14)로부터 직류 전력이 입력되거나 또는 승강압 초퍼 장치(14)에 대해 직류 전력을 출력하도록 접속한다. 또한, 인버터 장치(15)와 교류 전동기(16)의 사이에는, 절환기(26a)가 접속된다. 이 절환기(26a)는 인버터 장치(15)에 접속된 3상 교류 전력선을, 교류 전동기(16)와 차상측 접속 플러그 장치(18a) 중 어느 한쪽에 접속을 절환 가능한 기능을 갖는다. 지상 충전 포스트(19)는, 상용 전원(22)으로부터 공급된 전력을 차상 구동 시스템으로 출력하는 부분에 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)를 구비하고, 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)는 차상측 접속 플러그 장치(18a)와 접속 가능하게 되어 있다. 상용 전원(22)은 전차선(21)의 전원과는 상이한 계통으로부터 수전하고, 3상 교류를 지상 충전 포스트로 공급할 수 있는 전원이다. 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)와 상용 전원(22)의 사이에는 과전류 등의 이상 동작시에 회로를 차단하는 보호용의 퓨즈(20)를 접속한다.
이하에 본 실시예의 동작을 설명한다.
우선, 전차선(21)이 정상일 때에 대해 설명한다. 연속해서 설치된 노선을 주행하는 전기차가 가속할 때에는, 절환기(26a)는 인버터 장치(15)와 교류 전동기(16)가 접속되는 상태로 접속된다. 인버터 장치(15)는 전차선(21)으로부터 직류 전력을 얻어 교류 전력을 출력하고, 교류 전동기(16)를 구동한다. 또한, 연속해서 설치된 노선을 주행하는 전기차를 감속할 때에는, 인버터 장치(15)는 교류 전동기(16)가 브레이크 토크를 출력하도록 회생 동작을 행하고, 축전 장치(13)는 인버터 장치(15)가 출력하는 회생 전력을 승강압 초퍼 장치(14)를 통해 흡수하여, 축전장치의 축전량이 축전 가능한 최대 충전량이 되도록 한다. 축전 장치(13)가 충분히 충전되어 있을 때에는, 집전 장치(17)를 통해 회생 전력을 전차선(21)으로 회생한다.
다음에, 전차선(21)의 정전이나 집전 장치(17)의 고장 등에 의해 전차선(21)으로부터 전력을 공급할 수 없을 때에 대해 설명한다. 이때에는, 승강압 초퍼 장치(14)가 출력하는 직류 전력, 즉 축전 장치(13)가 출력하는 직류 전력으로 인버터 장치(15)의 입력 전력을 부담한다. 이에 의해 전차선(21)의 정전시 등에 전차선(21)으로부터 전력을 공급할 수 없을 때에도 전기차를 가속할 수 있어, 전차선으로부터 전력을 공급할 수 없을 때에 있어서의 역까지의 퇴피 주행을 행하는 비상 주행을 실시할 수 있다. 전기차를 감속할 때에는, 인버터 장치(15)는 교류 전동기(16)가 브레이크 토크를 출력하도록 회생 동작을 행하고, 축전 장치(13)는 인버터 장치(15)가 출력하는 회생 전력을 승강압 초퍼 장치(14)를 통해 흡수하여, 축전 장치를 축전 가능한 최대 충전량이 되도록 한다. 축전 장치(13)에서 회생 전력을 흡수할 수 없을 때에는, 저항기에서 회생 전력을 소비시키거나 또는 공기 브레이크 등을 이용하여 기계적으로 감속한다.
차상측의 축전 장치(13)를 충전할 때에는, 열차를 지상 충전 포스트(19)가 설치되어 있는 장소에 근접 정차시켜, 차상 구동 시스템측의 차상측 접속 플러그 장치(18a)와 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)를 전용 케이블을 이용하여 접속한다. 또한, 절환기(26a)는 인버터 장치(15)와 차상측 접속 플러그 장치(18a)가 접속되는 상태로 접속을 절환한다. 축전 장치(13)의 입력 전력은, 상용 전원(22)에 의해 부담한다. 인버터 장치(15)는 지상 충전 포스트로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 승강압 초퍼 장치(14)는 직류 전력을 강압하고, 축전 장치(13)는 축전량이 일정 범위 내가 될 때까지 충전된다. 본 실시예는, 상용 전원(22)으로부터의 교류 전력을 교류 상태로 차상 구동 시스템으로 공급하는 구성이므로, 도 4에 도시하는 실시예[즉, 차상측 접속 플러그 장치(18a)를 축전 장치(13)와 승강압 초퍼 장치의 사이에 설치하고, 지상 충전 포스트(19)에서 상용 전원(22)의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 구성]에 비해 지상 충전 포스트(19)측의 기기를 삭감할 수 있는 것을 특징으로 하고 있다.
다음에, 본 발명의 전기차의 제어 장치 및 도 2에 도시하는 지상 충전 포스트에 의한 수전의 제3 실시 형태의 예를 도 6을 이용하여 설명한다.
차상 구동 시스템의 인버터 장치(15)는, 승강압 초퍼 장치(14)로부터, 또는 전차선(21)으로부터 출력되는 직류 전력을 입력으로 하여 이것을 3상 교류 전력으로 변환하여 교류 전동기(16)로 출력한다. 교류 전동기(16)는 인버터 장치(15)가 출력하는 3상 교류 전력을 입력으로 하여 이것을 축 토크로 변환하여 출력한다. 여기서, 도시하지 않은 제어 장치의 지령에 기초한 토크를 교류 전동기(16)가 출력하도록, 인버터 장치(15)는 인버터 장치(15)의 출력 전압 및 교류 전류 주파수를 가변 제어한다. 도시하지 않은 감속기는 교류 전동기(16)의 축 토크 출력을 증폭하여 출력하고, 전기차의 차륜축을 구동하여 전기차를 가감속한다.
승강압 초퍼 장치(14)는, 축전 장치(13)의 전압을 전차선(21)의 전원 전압으로 승압 또는, 전차선(21)의 전원 전압을 축전 장치의 전압으로 강압시킨다. 또한, 승강압 초퍼 장치(14)는, 축전 장치(13)와 전차선(21)을 전력적으로 접속 가능하게 하도록 축전 장치(13)에 접속된다. 여기서, 축전 장치(13)는 승강압 초퍼 장치(14)로부터의 직류 전력 출력을 입력 또는, 승강압 초퍼 장치(14)에 대해 직류 전력을 출력하도록 접속한다.
서비스 전원용 인버터 장치(27)는, 승강압 초퍼 장치(14)와 인버터 장치(15)의 사이의 직류부에 병렬로 접속된다. 또한, 서비스 전원용 인버터 장치(27)는, 승강압 초퍼 장치(14) 또는 전차선(21)으로부터 출력되는 직류 전력을 입력으로 하여 이것을 3상 교류 전력으로 변환하여 변압기(28)에 출력한다. 변압기(28)는 서비스 전원용 인버터 장치(27)가 출력하는 3상 교류 전력을 입력으로 하여, 이것을 서비스 기기·보조 기기(29)의 전원 전압에 필요한 소정의 교류 전압으로 변압하고, 3상 교류 전력을 서비스 기기·보조 기기(29)로 공급한다. 서비스 기기·보조 기기(29)는, 열차의 조명이나 공조 등의 서비스용 전원 기기류이며, 변압기(28)에 의해 서비스 전원 전압으로 조정된 전압을 입력으로 한다. 차상측 접속 플러그 장치(18a)는 변압기(28)와 서비스 기기·보조 기기(29)의 사이의 교류부에 병렬로 접속된다. 여기서, 변압기(28)와 서비스 기기·보조 기기(29)의 사이에는, 절환기(26b)를 접속해도 좋다. 이 절환기(26b)는 변압기(28)의 출력을 서비스 기기·보조 기기(29)와 차상측 접속 플러그 장치(18a) 중 어느 한쪽에 접속을 절환 가능한 기능을 갖는다.
지상 충전 포스트(19)는, 상용 전원 계통 접속 스위치(32)와 퓨즈와 지상 충전 포스트용 변압기(31)와 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)를 구비한다. 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)는, 차상 구동 시스템으로의 전력 공급부에 배치되고, 차상측 접속 플러그 장치(18a)와 접촉 가능하게 되어 있다. 지상 충전 포스트는, 상용 전원(22)으로부터의 전력을 상용 전원 계통 접속 스위치(32)와 퓨즈(20)와 지상 충전 포스트용 변압기(31)를 통해, 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)측으로 공급하고, 차상측 접속 플러그 장치(18a)와 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)가 접속되면, 상용 전원(22)으로부터의 전력은 차상 구동 시스템측으로 공급된다. 상용 전원(22)은 전차선(21)의 전원과는 상이한 계통으로부터 수전하여, 3상 교류를 지상 충전 포스트로 공급할 수 있는 전원이다. 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)와 상용 전원(22)의 사이에는, 과전류 등의 이상 동작시에 회로를 차단하는 보호용의 퓨즈(20)가 접속된다.
이하에 본 실시예의 동작을 설명한다.
우선, 전차선(21)이 정상일 때에 대해 설명한다. 통상, 열차가 전차선이 연속해서 설치된 노선을 주행할 때에 있어서의 보조 기기로의 전원의 공급은, 집전 장치(17)가 전차선(21)으로부터 직류 전력을 얻어, 서비스 전원용 인버터 장치(27)가 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하고, 변압기(28)가 이 교류 전력을 소정의 교류 전압으로 변압하여 서비스 기기·보조 기기(29)로 전원을 공급한다.
다음에, 전차선(21)의 정전이나 집전 장치(17)의 고장 등에 의해 전차선(21)으로부터 전력을 공급할 수 없을 때에 대해 설명한다. 이때에는 승강압 초퍼 장치(14)가 출력하는 직류 전력, 즉 축전 장치(13)가 출력하는 직류 전력으로 서비스 전원용 인버터 장치(27)의 입력 전력을 부담한다. 이와 같이 함으로써, 전차선(21)으로부터 전력을 공급할 수 없을 때의 보조 기기로의 전원 공급이나 열차의 주행이 가능해진다. 절환기(26b)를 설치하는 구성에 있어서는, 절환기(26b)는 변압기(28)와 서비스 기기·보조 기기(29)가 접속되는 상태로 접속을 행한다.
차상측의 축전 장치(13)를 충전할 때에는, 열차를 지상 충전 포스트(19)가 설치되어 있는 장소에 근접 정차시키고, 상용 전원 계통 접속 스위치(32)를 개방한 상태에서, 열차 차상 구동 시스템측의 차상측 접속 플러그 장치(18a)와 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)를 전용 케이블을 이용하여 접속한다. 상용 전원 계통 접속 스위치(32)를 개방한 상태로 함으로써 차상측 접속 플러그 장치(18a)와 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)의 접속시에 감전의 위험성이 없어진다. 절환기(26b)를 설치하는 구성에 있어서는, 절환기(26b)는 변압기(28)와 차상측 접속 플러그 장치(18a)가 접속되는 상태로 접속한다. 차상측 접속 플러그 장치(18a)와 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)를 접속 후, 상용 전원 계통 접속 스위치(32)를 투입한다. 축전 장치(13)의 입력 전력은, 상용 전원(22)에 의해 부담한다. 서비스 전원용 인버터 장치(27)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 승강압 초퍼 장치(14)는 강압하고, 축전 장치(13)는 축전량이 일정 범위 내가 될 때까지 충전된다. 본 실시예의 구성은, 상용 전원(22)으로부터의 교류 전력을 교류 상태로 차상 구동 시스템으로 공급하는 구성이므로, 도 4에 도시하는 실시예의 구성[차상측 접속 플러그 장치(18a)를 축전 장치(13)와 승강압 초퍼 장치의 사이에 설치하고, 지상 충전 포스트(19)측에서 상용 전원(22)을 직류 전력으로 변환하는 구성]에 비해, 지상 충전 포스트(19)측의 기기를 삭감할 수 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 실시예에 있어서, 절환기(26b)를 설치하지 않는 경우는, 지상 충전 포스트에 있어서의 충전 기간 중에도 보조 기기를 정지시키는 일 없이 축전 장치(13)의 충전이 가능해져, 조명이나 공조 등의 열차의 승객에의 서비스를 유지한 상태에서 축전 장치(13)의 충전 및 역까지의 비상 운전이 가능해진다.
상술한 각 실시 형태에 있어서는, 직류 송전 방식의 전차선(21)에 대해 설명하고 있지만, 교류 송전 방식의 전차선(21)이라도 본 발명을 적용하는 것은 가능하다.
역 사이가 긴 구간에 있어서는, 비상시의 지상 충전 포스트로부터의 급전을 복수회 행할 필요가 발생하므로, 급전에 걸리는 시간을 적게 하는 것이 요구된다. 그로 인해, 선로 내에 있어서 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치(18b)와의 접속이 승무원에게 있어서 용이해지도록, 상술한 각 실시 형태에 있어서의 차상측 접속 플러그 장치(18a)는 차량 측면, 나아가서는 차량 측면의 하부에 배치되면 좋다. 또는, 인버터 장치 등의 전기 기기가 실장된 차체 바닥 하부 부분이며, 또한 차상측 접속 플러그 장치(18a)의 플러그의 방향이 차체의 측면 혹은 저면을 향하도록 배치되면 좋다.
1, 10a, 10b, 10c : 역간 급전 설비
2, 9a, 9b : 역
3, 8 : 열차
4, 17 : 집전 장치
5, 13 : 축전 장치
6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 21 : 전차선
7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f : 전원 공급 설비
11a, 11b, 19 : 지상 충전 포스트
12a, 12b : 섹션
14 : 승강압 초퍼 장치
15 : 인버터 장치
16 : 교류 전동기
18a : 차상측 접속 플러그 장치
18b : 지상 충전 포스트측 접속 플러그 장치
20 : 퓨즈
22 : 상용 전원
23 : 지상 충전 포스트용 초퍼 장치
24 : 보호 회로
25 : 정류기
26a, 26b : 절환기
27 : 서비스 전원용 인버터 장치(SIV)
28 : 변압기
29 : 서비스 기기·보조 기기
30 : 지상 충전 포스트용 축전 장치
31 : 지상 충전 포스트용 변압기
32 : 상용 전원 계통 접속 스위치

Claims (10)

  1. 철도 궤도를 따라 설치된 상용 급전용의 상용 급전 설비와,
    상기 상용 급전 설비로부터 급전하여 운행을 행하는 철도 차량과,
    상기 철도 차량에 탑재되어 상기 철도 차량의 주행에 필요한 전력을 공급 가능한 축전 장치와,
    상기 상용 급전 설비가 설치되어 있는 궤도 구간이며, 상기 축전 장치의 최대 용량으로 상기 철도 차량이 역까지 주행 가능한 범위 내에 설치되고, 상기 축전 장치에 충전 가능한 역간 급전 설비를 구비하고,
    상기 역간 급전 설비는, 상기 상용 급전 설비와는 상이한 전력 계통으로부터 전력 공급을 받아, 상기 상용 급전 설비로부터의 급전에 이상이 발생한 경우에도 철도 차량을 역까지 주행 가능하게 하는, 철도 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 역간 급전 설비가 역간에 복수 설치되는 경우에, 상기 역간 급전 설비와 다른 역간 급전 설비의 간격은, 상기 축전 장치의 최대 충전량으로 상기 철도 차량이 주행 가능한 거리 이하인 것을 특징으로 하는, 철도 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상용 급전 설비라 함은, 철도 궤도를 따라 연속해서 설치되는 전차선이고,
    상기 철도 차량에 탑재되어 상기 전차선으로부터 상기 철도 차량으로 집전을 행하는 집전 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는, 철도 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 역간 급전 설비라 함은, 역간의 철도 궤도를 따른 일부의 소정 구간에 설치되는 전차선인 것을 특징으로 하는, 철도 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 역간 급전 설비라 함은, 역간의 철도 궤도를 따른 소정 위치에 설치되는 지상 충전 포스트인 것을 특징으로 하는, 철도 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 지상 충전 포스트는, 철도 차량에 접속 가능한 지상 충전 포스트측 접속 플러그를 구비하고,
    상기 철도 차량은, 상기 지상 충전 포스트측 접속 플러그와 접속 가능한 철도 차량측 접속 플러그를 구비하고,
    상기 지상 충전 포스트측 접속 플러그와 상기 철도 차량측 접속 플러그가 접속된 경우에, 상기 상용 급전 설비와는 상이한 전력 계통으로부터의 전력이 상기 지상 충전 포스트를 통해 상기 철도 차량으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 철도 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 철도 차량측 접속 플러그는, 상기 철도 차량의 차체 바닥 하부 부분에 탑재되는 것을 특징으로 하는, 철도 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 철도 차량은 상기 축전 장치와 직류측에서 결합한 직류/3상 교류 변환기를 구비하고,
    상기 직류/3상 교류 변환기의 3상 교류측과 상기 철도 차량측 접속 플러그는 전기적으로 접속되고, 상기 지상 충전 포스트로부터의 3상 교류가 상기 직류/3상 교류 변환기의 3상 교류측으로 공급 가능하게 되고,
    상기 직류/3상 교류 변환기는, 3상 교류로부터 직류로의 변환 기능을 구비하고,
    상기 직류/3상 교류 변환기에 의해 3상 교류로부터 직류로 변환된 전력을 상기 축전 장치가 충전하는 것을 특징으로 하는, 철도 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 직류/3상 교류 변환기의 3상 교류측과 접속되고, 상기 직류/3상 교류 변환기로부터 3상 교류를 받아 토크를 출력하는 교류 전동기와,
    상기 직류/3상 교류 변환기와 상기 교류 전동기의 사이에 접속되고, 상기 직류/3상 교류 변환기와 상기 교류 전동기의 접속 상태와, 상기 직류/3상 교류 변환기와 상기 철도 차량측 접속 플러그의 접속 상태의 절환을 행하는 절환기를 구비하고,
    상기 지상 충전 포스트로부터 상기 철도 차량에 급전을 행하는 경우에는, 상기 절환기에 의해 상기 직류/3상 교류 변환기와 상기 철도 차량측 접속 플러그의 접속 상태가 되고, 상기 지상 충전 포스트로부터 상기 축전 장치로 전력 공급이 행해지는 것을 특징으로 하는, 철도 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 직류/3상 교류 변환기의 3상 교류측과 접속되고, 상기 직류/3상 교류 변환기로부터 3상 교류를 받아 상기 철도 차량의 조명 기구 또는 공조 기구에 전력을 공급하는 보조 기기와,
    상기 직류/3상 교류 변환기와 상기 보조 기기의 사이에 접속되고, 상기 직류/3상 교류 변환기와 상기 보조 기기의 접속 상태와, 상기 직류/3상 교류 변환기와 상기 철도 차량측 접속 플러그의 접속 상태의 절환을 행하는 절환기를 구비하고,
    상기 지상 충전 포스트로부터 상기 철도 차량으로 급전을 행하는 경우에는, 상기 절환기에 의해 상기 직류/3상 교류 변환기와 상기 철도 차량측 접속 플러그의 접속 상태가 되고, 상기 지상 충전 포스트로부터 상기 축전 장치로 전력 공급이 행해지는 것을 특징으로 하는, 철도 시스템.
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