TWI224061B - Improvements in electrical vehicles - Google Patents

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1224061 A7 _B7 五、發明説明（1 ) 發明領域 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係關於電動車（諸如火車頭）之改良，尤其係 關於當此類電動車中之變壓器一開始連接W至一交流電供 應源時，一種可以降低電流湧入之方法。本發明亦關於一 種控制器，其係用以控制此一電動車之操作運轉。 發明背景 已知，在電動火車頭中係提供有至少一電動馬達，以 驅動該火車頭之車輪。在許多系統中，電動馬達之電能係 藉由將馬達連接至一高架電線來提供，其中該高架電線係 沿著車軌之長度而延伸。該電線係連接至一位在車軌旁之 電源，諸如一發電機，且該電源係由一架線系統所支撐。 火車頭之頂端係具有一集電弓架機構，其係可以緊靠在電 線上，以在電線（習稱爲電車電線）與電動車之間形成電 氣連接。該馬達係視需要而由電車電線中引出電流。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 已有提出以交電電壓通過電車電線而提供交流電至該 電動火車頭。在火車頭之車體上係具有一變壓器，其係可 以將沿著電車電線傳輸所需要之較高電壓，步階式地降低 成可供應至馬達及火車上之其他電氣設備可以使用之較低 電壓。 採用交流電架構，當變壓器一開始連接至電車電線時 ，便會產生一個特殊的問題。舉例來說，當電動車大約開 始啓動時，或者係在行駛一段固定下坡路段之後，上述之 問題便會產生。當變壓器初始連接至電車電線時，該變壓 本矣氏張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — -- -4 - 1224061 A7 ___ _B7 五、發明説明（2 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 器係會抽引出相當大的非對稱電流，而使得每次變壓器連 接至電源時，其需要花費數秒的時間來排除該高電流。此 一瞬間電流之直流電及其持續之時間，係會在該用以使電 流由火車上返回之回流軌中造成電壓降，且此一直流電係 會破壞與該車軌相聯結之電路系統。 藉由參考圖4，可以對此一電流湧入之現象有更深入 之瞭解。在圖4 ( a )中，變壓器一開始係處在放電狀態 ，且當電壓通過一峰値時，變壓器便連接至該電壓源。在 變壓器中之淨通量係會相對於電壓而以正弦波形方式形成 九十度相位差。該變壓器通常係設計成在此狀態下不會過 度供應電流至變壓器心體。 在圖4 b中，其係假設該電壓源係當其通過零電位時 才連接至該變壓器。在此狀態下，通量係會迅速上升至峰 値，而遠遠超過供應至變壓器所需之量値。在通量逐漸回 復到正確的穩定狀態値之前，通常係需要經過數次循環。 而在此一過度供電期間，會有相當大的電流由變壓器中流 出。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在交流軌道系統上之許多訊號設備，係採用直流繼電 車軌電路，以進行火車之偵測。雖然這些軌道電路對於瞬 間電流係特別敏感，然而其他類型之軌道電路系統亦同樣 會受到瞬間電流之影響。直流軌道電路之作用原理，係藉 由在軌道一端之回流軌之間導入一相當小的直流電壓，然 後藉由在另一端之繼電器來偵測其存在。當車輪組短路跨 載該回流軌而造成軌道電路不過電時，便可以偵測出火車

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公釐） I 1224061 A7 _____B7_ 五、發明説明（3 ) 存在。在連接部位存在有瞬間直流電時，係會在這些攸關 安全之火車電路中造成錯誤的判讀。 發明摘要 本發明之一目的係要改善在一電動車之變壓器連接至 電源時所產生之電流湧入問題。 依照本發明之第一樣態，.本發明係提供一種控制一電 動車之變壓器與一由電車電線承載之交流電源相連接之方 法，其中該電動車係具有一接觸墊，以使該變壓器可以電 性連接至電車電線，該接觸墊係可以在一第一位置與一第 二位置之間移動，其中在該第一位置上，接觸墊係與該電 車電線保持電氣不接觸之狀態，而在該第二位置上，該接 觸墊則係與電車電線保持電氣接觸之狀態，該方法包含以 下之步驟：謹慎地控制該接觸墊朝向電車電線之移動，使 得當存在於電車電線上之電壓係峰値或接近峰値時，在接 觸墊與電車電線之間的空氣間隙會被擊穿，而使該變壓器 可以連接至電車電線。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 藉由使變壓器在峰値電壓或接近峰値電壓時才開始進 行導電，該電流湧入之情況便可以獲得控制。此方法可實 質降低磁化湧入電流之最大値，且只要在開始導電時在變 壓器中沒有殘餘通量時，便可以完全消除電流湧入之問題 。最好，其係在電壓峰値產生時才開始導電。 如同一般在此類電動車動力系統中，該接觸墊係承載 於一集電弓架上，且該接觸墊之移動係藉由將集電弓架在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ' 1224061 A7 B7 五、發明説明（4 ) 降下與上升位置之間移動而達成。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 一開關裝置係位在接觸墊與變壓器之間。該開關裝置 係可以在一關閉狀態與打開狀態之間切換，使得在關閉狀 態下，電流係可以由接觸墊流至變壓器，而在打開狀態下 ，接觸墊與變壓器係電性隔絕，該方法包括以下之步驟： 在將接觸墊朝向電車電線移動之前，先確定該開關裝置係 關閉的。當接觸墊在第一位置時，該開關裝置係保持在打 開之位置。 該方法尙包括以下之步驟： 當接觸墊位在第二位置時，測量存在於電車電線上之 電壓；以及 若所測得之電壓指示出在電車電線上未具有供應電壓 時，則重新打開該開關裝置，以使變壓器與電車電線形成 電氣隔絕。 該方法亦可包括以下之步驟：在開關裝置重新打開以 偵測在電車電線上之電源供應之後，重新測量在電車電線 上之電壓。此一重新測量步驟係可以連續地或週期性地進 行。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 該電壓係可利用一電壓測量電路來直接或間接地測量 ，以即時偵測是否有電流經由電車電線而被火車抽引。 若在接觸墊位在第二位置的同時偵測到電源供應時， 則該方法可包括以下步驟：依序地將該接觸墊移動至第一 位置、關閉開關裝置、以及將接觸墊移回至第二位置。 該方法可包含以大約0 · 5 m / S或小於〇 · 5 m / 本抵張尺度逍用中.國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） " 1224061 A7 B7 五、發明説明（5 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) s (例如，〇 · 3 m / s )之速度，將集電弓架由第一位 置移動至第二位置。當然，應瞭解的是，在峰値電壓可造 成擊穿所需要之速度，係視所使用之電壓、所使用之材料 、元件尺寸、以及所用頻率等因素而定。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 依照本發明之第二樣態，本發明係提供一種經由電車 電線接收交流電之電動車的動力系統，其包含一電動馬達 、一用以供應電流至電動馬達之變壓器、一用以使變壓器 電氣連接至電車電線之接觸墊、一以謹慎控制之速率將接 觸墊由第一位置移動至第二位置之裝置，其中在第一位置 上，該接觸墊係與電車電線保持非電性接觸之關係，而在 第二位置上，接觸墊係與電車電線形成電性接觸、一阻絕 開關，其係可以在一關閉狀態與一打開狀態之間切換，其 中在關閉狀態中，變壓器係連接至接觸墊，而在打開狀態 中，變壓器係與接觸墊形成電性隔離、以及一控制裝置， 其係配合該阻絕開關之狀態而進行該接觸墊位置之邏輯控 制，使得在接觸墊由第一位置移動至第二位置之前，該開 關係切換至關閉狀態，藉此當供應電壓到達峰値而由於在 電車電線與接觸墊之間之空氣間隙被擊穿時，該變壓器係 可連接至電車電線上之電源。 該接觸墊係一集電弓架之一部分，且該控制裝置係連 接至一集電弓架上升/下降機構，以使該接觸墊可在第一 位置與第二位置之間移動。 該動力系統係可進一步包含一使用者輸入裝置，以產 生一使用者要求之信號至該控制裝置，藉此相應於該使用 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -8- 1224061 A7 _B7__ 五、發明説明（6 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 者輸入之信號而將接觸墊在第一及第二位置之間移動。該 使用者輸入信號係可由火車之驅動器所供應。一輸入信號 係可包含一”連接”信號，在接收到此信號之後，控制器便會 以上述方將將變壓器連接至電車電線。另一信號則可包含 斷路信號，在接收到此一信號後，控制器便會截斷變壓器 與電車電線之間的連接。 控制器亦可藉由打開阻絕開關，然後降下集電弓架， 而使變壓器與電源形成斷路。 該動力系統係可進一步包含一感應器裝置，其係當接 觸墊位在第二位置時，可輸出一信號至控制裝置，以指示 出在電車電線上是否有供應電壓存在，若該感應器裝置指 示出未具有供應電壓存在時，則控制裝置便可以輸出一信 .號來打開開關，以使變壓器與電車電線形成電性隔絕。該 感應器係在介於接觸墊與開關之間的位置來測量電壓是否 存在。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 當接觸墊位在第二位置且開關係打開時，若該感應器 裝置指示出在電車電線上存在有供應電壓時，則控制裝置 便輸出信號，以依序地將集電弓架降下、關閉開關以及將 接觸墊移回至第二位置。 當集電弓架上升時，該控制器係可週期性地偵測是否 存在電源供應。 依照本發明之第三樣態，本發明係提供一種電動車， 其係採用依照本發明第二樣態之動力系統。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） ----~ -9- 1224061 A7 B7 五、發明説明（7 ) 圖式之簡單說明 以下將配合附圖來說明本發明之一實施例，其中該實 施例僅係用以做爲闡述本發明之用。 圖1係本發明之一電動火車頭之整體視圖，其中該火 車頭係用以連接至一高架的電車電線； 圖2係用以控制火車頭變壓器與電車電線連接之電路 示意圖； 圖3係一^流程圖，其中顯不當連接或截斷火車頭與電 車電線之電性連接時，所進行之邏輯步驟之順序；以及 圖4係顯示在一變壓器連接至一電源之後，在供應波 形之兩個不同位置之通量變化。 主要元件對照表 1 電動火車頭 2 電車電線 3 接觸墊 4 集電弓架 5 終端件 6 開關 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·

*1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7 變壓 器 1 〇 動 力 機 構 2 〇 控 制 器 2 1 使 用 者 輸 入 裝 置 2 2 集 電 弓 架 控 制 裝置 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- 1224061 A 7 ______ B7 五、發明説明（8 ) 2 3 開關控制裝置 2 4 測量信號 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 9 a 車輪 9 b 車輪 9 c 車輪 9 d 車輪 8 電動馬達 A 使用者輸入信號 B 使用者輸入信號 I佳實施例之詳細說明 圖1係顯示一電動火車頭1，其係可以由習知之電車 .電線2之高架電線中獲得動力。電車電線2係以2 5 k V r m s之電壓源來供應交流電，其中該電壓源係由一 架線系統（圖上未顯示）支撐在車軌上方。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 火車頭之動力系統係藉由集電弓架4而電氣地連接至 電車電線2，其中該集電弓架4係具有一長形導電接觸墊 3，當集電弓架4係位在如圖1所示之上升位置時，該接 觸墊3係可以與電車電線2相銜接。集電弓架4亦可以降 低至一位置，而使該接觸墊不會與電車電線相接觸。一電 纜係沿著集電弓架4而由接觸墊3向下延伸至位在火車頂 上之終端件5，且另一電纜係由該處延伸至一開關6。該 開關6係連接至一變壓器（在圖上整體標示爲7 )。.當開 關關閉時，便在集電弓架之接觸墊3至變壓器7之間形成 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -11 - 1224061 A7 ____B7 _ 五、發明説明（9 ) 一導電通路。當該開關打開時，該通路便會被有效地截斷 ◦開關6係由一種fault-make/fault-break型開關所構成。該 開關亦可以係一種氣爆型開關，諸如在老式火車上所提供 之開關，或者係一種真空瓶型開關，諸如由英格蘭拉戈比 市之Alstom T&D Vacuum設備公司所開發之開關。 變壓器之輸出係電氣連接至兩個電動馬達8，以驅動 火車1之車輪9a、9b、9c及9d。 該集電弓架4係可以藉由簡單的方式而上升或下降， 以與該電車電纜2形成導通或斷路，例如，使終端件5在 軌道上朝向彼此或遠離彼此而滑動，而終端件之移動則係 可以藉由一安裝在火車頭頂部之適當的電動機構1〇來達 成。即使該集電弓架4係位在上升位置，該開關6亦可阻 .斷電車電纜2供電至變壓器7。 當在非致動狀態（沒有電流供應至變壓器7 )與致動 狀態（變壓器7由電車電線抽引電流）之間改變時，火車 頭之操作係藉由位在火車頭動力系統中之電路來加以控制 ，如圖1及圖2所示。 該電路係包含一控制器，整體標示爲2 0，其係可接 收由一使用者輸入裝置2 1所發出之信號，並且發出控制 信號至一集電弓架控制裝置2 2及一開關控制裝置2 3。 如圖2淸楚地顯示，使用者輸入裝置2 1係用以提供 兩個輸入信號至控制器2 0。第一信號A係包含將該變壓 器7連接至電車電線2上之電源之指令。第二信號B則係 包含阻斷該變壓器7與電源之指令。舉例來說，這些使用 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210'〆297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- 1224061 A7 B7 五、發明説明（1〇) 者輸入信號，係可以由使用者按壓位在該使用者輸入裝置 2 1上之兩種不同開關A或B而輕易產生。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在火車上亦具有一電壓感應器（圖上未顯示），其係 用以測量存在於集電弓架接觸墊3上之電壓。該電壓感應 器係提供一測量信號2 4至控制器2 0。 由控制器2 0所執行之邏輯步驟係顯示在圖3之流程 圖中。 在一開始之步驟3 0中，集電弓架係位在其降下位置 ，且該開關6係打開的。此一狀態一直持續，直到在步驟 3 1中，該控制器接收到使用者輸入信號A，而使電源連 接至變壓器。在下一個步驟3 2中，開關6係關閉，使得 在集電弓架4上之接觸墊3與該變壓器7之間形成連續的 電氣通路，然後在步驟3 3中，該集電弓架係緩慢上升， 直到接觸墊3與電車電線2之間的間距夠小，而可以在兩 者之間形成電弧爲止。當空氣間隙被打破時，便會產生電 弧，且由於在電車電線上之電壓相較於該集電弓架謹慎控 制之移動速率係以極高的速率來振盪，因此導電便在電車 電線2上之電壓峰値處開始進行。因此，當電壓在峰値時 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (不論係尖峰最大値或尖峰最小値），在電車電線上之電 源便可以有效地連接至變壓器。 當集電弓架持續朝向電車電線移動時，接觸墊3與電 車電線便會碰觸，這會使電弧消失，但持續導電至變壓器 。接著.，該集電弓架便保持在此一位置上。 就一可達成本發明功效之集電弓架移動的控制實例而 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) ~ 1224061 A 7 ____B7 五、發明説明（11) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 言，已發現0 · 5 m / s之上升速度，係可以利用既有之 高架電線及載有2 5 k V電源之集電弓架而在5 0 -1〇0毫米之間隙中，產生一致性的峰値擊穿電壓。然而 ，熟習此項技術之人士應可瞭解，針對不同之交流電路系 統，亦可能需要採用不同的上升速度，且透過簡單的測試 便可以測定最佳的上升速度。 在集電弓架碰觸到電車電線之後，在步驟3 4中，控 制器2 0便會採集信號2 4，其中該信號2 4係存在於集 電弓架接觸墊3上之電壓測量値。通常，在步驟3 5中， 這便可表示存在電源供應，且該火車正在抽引電流。 在步驟3 6中，若在電車電線2上未存在有電壓，貝 控制器便會命令開關6打開，但仍保持該集電弓架上升之 姿態。 在步驟3 7中，在電車電線上之電壓接著便可以由控 制器來監視，不論係連續地或週期性地。因爲電壓感應器 係位在開關6之”上游”，因此即使該開關6係打開的，當電 源連接至電車電線2時，其仍然可以偵測到電壓。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在步驟3 8中，若在集電弓架上升但開關係打開之狀 態下偵測到電流之供應，則便將集電弓架降下，並且第一 步驟3 0來重新展開連接順序，但若未偵測到電線電壓時 ，則只持續進行測量循環之步驟3 7及3 8。 若由使用者輸入裝置2 1中接收到一 ”斷路”信號B，則 針對圖.3所述之任何進行中的邏輯順序便皆無效，如同控 制器2 0首次打開開關6，然後將集電弓架4移動至其下 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ~~" -14 - 1224061 A7 -_ B7 五、發明説明（12) 降位置。接著，該集電弓架4及開關6便保持在該狀態， 直到使用者再次送出信號A時爲止。 利用繼电器或微處理器，或者係同時使用兩者，便可 以方便且簡單地實施該控制邏輯。亦可以採用其他的控制 邏輯設計。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -15-

Claims (1)

1224061 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 1 · 一種控制一電動車之變壓器與一由電車電線承載 之交流電源相連接之方法，其中該電動車係具有一接觸墊 ，以使該變壓器可以電性連接至電車電線，該接觸墊係可 以在一第一位置與一第二位置之間移動，其中在該第一位 置上，接觸墊係與該電車電線保持電氣不接觸之狀態，而 在該第二位置上，該接觸墊則係與電車電線保持電氣接觸 之狀態，該方法包含以下之步驟：謹慎地控制該接觸墊朝 向電車電線之移動，使得當存在於電車電線上之電壓係峰 値或接近峰値時，在接觸墊與電車電線之間的空氣間隙會 被擊穿，而使該變壓器可以連接至電車電線。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該接觸墊係 承載於一集電弓架上，且該接觸墊之移動係藉由將集電弓 架在降下與上升位置之間移動而達成。 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中當接觸墊位 在第二位置時，接觸墊係部分地支撐該電車電線。 4 .如申請專利範圍第1項之方法，其中一開關裝置 係位在接觸墊與變壓器之第一繞組之間，該開關裝置係可 以在一關閉狀態與打開狀態之間切換，使得在關閉狀態下 ，電流係可以由接觸墊流至變壓器，而在打開狀態下，接 觸墊與變壓器係電性隔絕，該方法包括以下之步驟：在將 接觸墊朝向電車電線移動之前，先確定該開關裝置係關閉 的。 5 .如申請專利範圍第1項之方法，其尙包括以下之 步驟：當接觸墊在第一位置時，保持該開關裝置係在打開 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）~_ 16 _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1224061 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 之位置。 6 ·如申請專利範圍第1項之方法，其尙包括以下之 步驟： 當接觸墊位在第二位置時，測量存在於電車電線上之 電壓；以及 若所測得之電壓指不出在電車電線上未具有供應電壓 時，則重新打開該開關裝置，以使變壓器與電車電線形成 電氣隔絕。 7 .如申請專利範圍第6項之方法，其尙包括以下之 步驟： 在開關裝置重新打開以偵測在電車電線上之電源供應 之後，重新測量在電車電線上之電壓；以及 若在接觸墊位在第二位置的同時偵測到電源供應時， 則依序地將該接觸墊移動至第一位置、關閉開關裝置、以 及將接觸墊移回至第二位置。 8 · —種經由電車電線接收交流電之電動車的動力系 統，其包含一電動馬達、一用以供應電流至電動馬達之變 壓器、一用以使變壓器電氣連接至電車電線之接觸墊、一 以謹慎控制之速率將接觸墊由第一位置移動至第二位置之 裝置，其中在第一位置上，該接觸墊係與電車電線保持非 電性接觸之關係，而在第二位置上，接觸墊係與電車電線 形成電性接觸、一阻絕開關，其係可以在一關閉狀態與一 打開狀態之間切換，其中在關閉狀態中，變壓器係連接至 接觸墊，而在打開狀態中，變壓器係與接觸墊形成電性隔 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 17 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1224061 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 離、以及一控制裝置，其係配合該阻絕開關之狀態而進行 該接觸墊位置之邏輯控制，使得在接觸墊由第一位置移動 至第二位置之前，該開關係切換至關閉狀態，藉此當供應 電壓到達峰値而由於在電車電線與接觸墊之間之空氣間隙 被擊穿時，該變壓器係可連接至電車電線上之電源。 9 ·如申請專利範圍第8項之動力系統，其中接觸墊 係一集電弓架之一部分，且該控制裝置係連接至一集電弓 架上升/下降機構，以使該接觸墊可在第一位置與第二位 置之間移動。 1 ◦·如申請專利範圍第8項之動力系統，其尙包含 一使用者輸入裝置，以產生一使用者要求之信號至該控制 裝置，藉此相應於該使用者輸入之信號而將接觸墊在第一 及第二位置之間移動。 1 1 ·如申請專利範圍第8項之動力系統，其尙包含 一感應器裝置，其係當接觸墊位在第二位置時，可輸出一 信號至控制裝置，以指示出在電車電線上是否有供應電壓 存在，若該感應器裝置指示出未具有供應電壓存在時，則 控制裝置便可以輸出一信號來打開開關，以使變壓器與電 車電線形成電性隔絕。 1 2 ·如申請專利範圍第8項之動力系統，其中當接 觸墊位在第二位置且開關係打開時，若該感應器裝置指示 出在電車電線上存在有供應電壓時，則控制裝置便輸出信 號’以依序地將集電弓架降下、關閉開關以及將接觸墊移 回至第二位置。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 18 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1224061 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍1 3 · —種電動車，其係採用如申請專利範圍第8至 1 2項任一項所述之動力系統。 IJ 丨|. 0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 19 -