JP2010111340A - 架線電圧補償車 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電動機駆動により大出力電気機関車の製作が可能になったが、地上側電気設備容量の制約から、大幅に出力制限して使用されており、単位輸送力の向上や、速度向上に制約があった。
【解決手段】架線電圧補償コンバータ並びに二次電池を内蔵し、天蓋部に集電装置を備えたコンテナ型の架線電圧補償ユニットを複数搭載した架線電圧補償車を電気機関車の次位以降に連結し、架線電圧低下に対する架線電圧補償機能に依り、大出力電気機関車の出力制限の撤廃または、緩和を行い輸送力向上、速度向上を図るもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気車（主に電気機関車）に牽引される車両に搭載した二次電池をエネルギー源として架線電圧低下を補償する架線電圧補償車に関する技術であり、架線電圧が十分に高い時に、二次電池を充電し、架線電圧が低下して来た時に二次電池のエネルギーを架線側に放電し、架線電圧の低下を抑制する装置に関するものである。

インバータ制御技術の向上、半導体素子容量の向上により、電気機関車などの大出力機関車にもインバータ制御が採用される様になり、主電動機の交流電動機化により、小型で大出力の主電動機が構成可能になり、狭軌（軌間＝１０６７ｍｍの線路）で、６動軸駆動の電気機関車の１時間定格出力は、６０００ｋW級の電気機関車も製作可能になった。
また、地球環境保護の視点や少子高齢化社会の到来に対する労働者不足への対応、安全性の向上などの様々な観点より、自動車輸送から鉄道輸送へのモーダルシフトの機運が高まり、単位列車の輸送力向上、スピードアップに対応するための大出力機関車の性能発揮が求められる状況にある。

しかしながら、我が国では、一般的に、貨物列車の運行は、線路やき電設備などの地上側電源設備を保有する事業者の線路上を旅客列車と共存する形で走行するケースが多く、旅客列車の運行には十分な容量の地上側電源設備であっても、大量高速輸送の貨物列車に十分な地上側電源設備容量を満足しているとは限らない。現状、１時間定格出力６０００ｋW級の電気機関車の場合でも約３４００ｋW程度に出力制限して使用されているのが実情である。
コロナ社 電気鉄道ハンドブック ４．９．２（１）電気機関車の出力

近年、二次電池の高性能化により、地上側に設置する架線電圧補償装置が使用される例がある。
特開２００８−６２８２６号公報

また、路面電車や短編成電気車などで車載の二次電池により架線電圧低下補償を行う例も見られる。
特開２００５−２７８２６９号公報

前記の通り、架線電圧低下を回避するために実施されている大出力電気機関車の出力制限の撤廃または、緩和により単位輸送力の向上を図るものである。
二次電池に依る架線電圧補償の方法は、前記の通り２種類の方策が考えられるが、以下の課題がある。
地上側設置の架線電圧補償装置に依るものでは、高速貨物鉄道の走行する路線長は、数百キロから千キロ程度に及ぶ事があり、設置台数、コストの面より地上側に補償装置を設置する方策は現実的ではない。
また、電気機関車に二次電池を搭載する車載の架線電圧補償装置も考えられるが、電気機関車の出力容量は、路面電車や電車の出力容量の数十倍から数倍であり、既に制御機器等で車上の余裕空間の少ない電気機関車上に架線電圧補償二次電池を搭載する事は現実的ではない。特に、上り勾配の長い区間を架線電圧補償を行いながら走行する様な線区では、架線電圧補償のための二次電池の所要容量も非常に大きくなる。

二次電池並びに架線電圧補償コンバータ装置を内蔵し、架線とこれらの装置を接続するための集電装置を備えたコンテナ型の架線電圧補償ユニットを複数搭載した架線電圧補償車を電気機関車の次位以降に連結走行する事により前記課題を解決するものである。

電気機関車と架線電圧補償車を連結走行する事により、地上設置の架線電圧補償装置と異なり、常に、架線電圧低下の発生点で架線電圧補償が行えるため、架線電圧補償効果に優れており、また、電気機関車と近接して架線電圧補償を行うため、架線インピーダンスに依る電圧降下が極小である。
装置台数の点からも、大容量電気機関車の台数に応じた架線電圧補償車の数で全区間の架線電圧補償が可能であり、走行区間が長い程、設置台数の面で地上設置方式よりも有利となる。
また、電気機関車と架線電圧補償車を分離する事で、２次電池の搭載スペースを十分に確保出きる上、電気機関車の容量や、走行パターンに応じて、架線電圧補償車の増減が可能であり、電気機関車と架線電圧補償車の保守も容易になる。また、電気機関車側は、既存の機関車をそのまま使用する事が出きる。
さらに、二次電池並びに、架線電圧補償コンバータ装置、集電装置（たとえばパンタグラフ）をコンテナ型のユニットにする事で、補償容量の増減が容易で、保守も容易となる。

以下、図１を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１の1は、電気鉄道の直流架線、２は、軌道（レール）、３は、電気機関車、４は、電気機関車の集電装置である。現状の貨物列車では、３の電気機関車の次位には、１１の貨車が連結される。
図１では、３の電気機関車と１１の貨車の間に、５の架線電圧補償車を挿入連結したものである。
５の架線電圧補償車には、９のコンテナ型架線電圧補償ユニットが２台搭載されている。
９のコンテナ型架線電圧補償ユニットは、天蓋部に６の架線電補償ユニットの集電装置、内部には、７の架線電圧補償コンバータ装置、８の２次電池が内蔵されており、７の架線電圧補償コンバータ装置の接地側は、５の架線電圧補償車の接地装置１０に接続される。

図１の架線電圧補償車の動作モードについて、４つのモードに分類される。
１つ目のモードは、架線電圧補償車５の２次電池８が満充電状態でなく、架線電圧が十分に高い場合は、架線電圧補償ユニットの集電装置６より架線電圧補償コンバータ７の充電動作により、２次電池８が充電される。この状態は、貨物列車が停車中または、惰力走行中、または、電気機関車３が発電ブレーキにてブレーキを掛けている状態で起こり得るモードである。これを、充電モードと呼ぶ事にする。
架線電圧補償動作により放電された蓄電池の充電のために必要なモードである。
二次電池の充電状態について、二次電池の充電状態を示す状態信号であるSOC（State
of charge）については、下記の特許文献等で、演算法が確立されており、比較的容易に、二次電池の充電状態を知る事が出来る。
特開２０００−２５８５１３号公報 ２つ目のモードは、電気機関車３が力行して、架線電圧が低下した時に、架線電圧補償車の２次電池８から、架線電圧補償コンバータ７の動作により、架線電圧補償ユニット９の集電装置６を介して、架線電圧を補償し、電気機関車３の力行性能を補償するものである。このモードを架線電圧補償モードと呼ぶ事にする。 ３つ目のモードは、架線電圧補償車５の二次電池８が満充電状態で、架線電圧も高い場合は、架線電圧補償コンバータ７も停止状態となる。このモードを満充電モードと呼ぶ事にする。 ４つ目のモードは、架線電圧補償車５の二次電池８が過放電状態で、電気機関車が力行し架線電圧が下がった場合は、架線電圧の補償は出来ない。この状態を過放電モードと呼ぶ事にする。

今回の装置は、前記の充電モードと架線電圧補償モードでの運転により本来の性能を発揮する。極力、過放電モードとならない様、架線電圧補償ユニットの台数、架線電圧補償車の両数を決める必要がある。一般に、電気機関車では、回生ブレーキの使用モードは無いので、満充電モードは、特に弊害はないが、回生ブレーキ付きの電気機関車または、同一き電内の回生電気車の回生電力を吸収させる機能も持たせる場合は、満充電モードも回避する様に、制御する。

以上の説明の通り、本装置の使用に依り、現在出力制限により運用されている大出力電気機関車の出力制限の撤廃または、緩和が可能で、力行性能を向上し、単位輸送力の向上、スピードアップに依り鉄道貨物輸送の大幅な輸送力向上を果たす事が可能となる。

ここでは、説明の容易化のために、コンテナ型架線電圧補償ユニットを２台搭載した架線電圧補償車１両で構成した例を示したが、補償容量に依り、コンテナ型架線電圧補償ユニット数、架線電圧補償車の数量を増減し最適化を図る。

電気機関車に連結される架線電圧補償車のシステム構成を示す。（実施例１）

符号の説明

１ 架線
２ 軌道
３ 電気機関車
４ 電気機関車の集電装置
５ 架線電圧補償車
６ 架線電圧補償ユニットの集電装置
７ 架線電圧補償コンバータ
８ 二次電池
９ コンテナ型架線電圧補償ユニット
１０ 接地装置
１１ 貨車

Claims (1)

1. 電気機関車に連結された車両であって、架線電圧補償コンバータ、二次電池を内蔵し、天蓋部に集電装置を備えた架線電圧補償ユニットをコンテナ貨車に１台ないし複数台搭載しており、補償容量により、ユニット数、車両数を増減することを特徴とする架線電圧補償車。

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