(57)【要約】【課題】パンタグラフ及び車体間に碍子を用いて車体側からパンタグラフに電力を供給することなく、パンタグラフに電力を供給することができるパンタグラフ用電源供給装置をを提供する。【解決手段】本発明のパンタグラフ用電源供給装置は、交流き電方式において、架線からパンタグラフの舟体を介して集電される電力を、パンタグラフから該鉄道車両の電源装置に主導体を介して供給する構成において、主導体からパンタグラフ内の電気回路にて用いる電力を得る、パンタグラフに設けられるパンタグラフ用電源供給装置であり、主導体に１次側が取り付けられた変流器と、変流器の２次側に生起される交流電流から直流電圧を生成する電源回路と  を有する。【選択図】図１
2008245496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流き電方式において、架線からパンタグラフの舟体を介して集電される電力を、該パンタグラフから該鉄道車両の電源装置に主導体を介して供給する構成において、該主導体からパンタグラフ内の電気回路にて用いる電力を得る、パンタグラフに設けられるパンタグラフ用電源供給装置であり、
前記主導体に１次側が取り付けられた変流器と、
該変流器の２次側に生起される交流電流から直流電圧を生成する電源回路と
を有することを特徴とするパンタグラフ用電源供給装置。
【請求項２】
前記電源回路が、
前記交流電流を整流する整流回路と、
該整流回路の＋側及び−側出力間に介挿されたスイッチング素子と、
前記整流回路の＋側及び−側出力間に介挿されたコンデンサと、
前記＋側出力において、前記スイッチング素子にアノードが接続され、コンデンサにカソードが接続されたダイオードと
を有していることを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ用電源供給装置。
【請求項３】
前記コンデンサ間の出力電圧を測定し、予め設定した供給電圧となるように、前記スイッチング素子のオン／オフ制御を行う電圧制御回路をさらに有することを特徴とする請求項２に記載のパンタグラフ用電源供給装置。
【請求項４】
前記電圧制御回路が、
出力電圧及び前記供給電圧に対応する閾値電圧を比較し、比較結果を前記スイッチング素子に対して出力するコンパレータを有し、
出力電圧が供給電圧を超えたことを検出した場合にスイッチング素子をオンし、出力電圧が供給電圧以下である場合にスイッチング素子をオフすることを特徴とする請求項３に記載のパンタグラフ用電源供給装置。
【請求項５】
前記供給電圧により、電力を貯蔵する電力貯蔵媒体をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のパンタグラフ用電源供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中に架設されたトロリ線から鉄道車両に電力を供給するための集電装置（パンタグラフ ）に対し、パンタグラフに設けられて、このパンタグラフ内の電子回路に対して電力を供給するパンタグラフ用電源供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現状の電気鉄道においては、トロリ線（架線）から鉄道車両の屋根に搭載されたパンタグラフを介し、この鉄道車両に対して電力を供給する方式が一般的である。このようなパンタグラフは、トロリ線に押し当てられる舟体（上部にすり板が搭載されている）や舟体を昇降可能に支持するとともに、トロリ線に押し当てる押し上げ力を与える枠組み、この枠組みと舟体との間に介挿された支持バネ（復元バネ）等を備えている（例えば、非特許文献１）。
【０００３】
現状においては、バネあるいはダンパとから印加される力により、架線に対して上記舟体上部に取り付けられたすり板を押しつけている。
これにより、舟体は架線の高さの変化に応じ、この架線からの圧力により、バネあるいはダンパが受動的に伸縮することにより上下に駆動されている。
しかしながら、鉄道車両が高速に走行するようになってきており、架線の高さの変化の変動が短い周期にて伝達され、上述した受動的な舟体の高さ制御にては追随できなくなってきている。
【０００４】
このため、パンタグラフにおいて、舟体を能動的に動作させることにより、鉄道車両の高速走行の際に、架線の高さの変動の周期に追随させることが考えられる。
この場合にはパンタグラフ内に、舟体及び架線間の接触力を測定する測定回路と、この測定結果に対応して舟体の上下駆動を制御する制御回路とを設ける必要がある（例えば、非特許文献１参照）。
上記測定回路及び制御回路等の電子回路を動作させるための電源としては、バッテリが考えられるが、通常運行している電車にバッテリを搭載して、長期間の間を安定させて走行させることは、常にバッテリの電源を検出及び充電する必要があり、実用的な運用が困難である。
【０００５】
このため、鉄道車両側からパンタグラフに対して電力を供給することが考えられるが、パンタグラフと鉄道車両の車体との電位差は非常に高く、例えば、新幹線の場合に２５０００Ｖあり、この電位差を介してパンタグラフに車体から通常の方法にて電力を供給することはできない。
そこで、パンタグラフ及び車体間を絶縁して給電線を通す碍子と同様に、コイルと鉄心との間が絶縁された絶縁トランスを用いて、パンタグラフ及び車体間を絶縁した状態にて、上記電子回路に対して電力を供給する構成を用いることがある。
【非特許文献１】鉄道総研報告  第２０巻第９号（２００６年９月）、ｐ４１〜ｐ４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来例は、給電線を通す碍子と同一の構成を用いて電子回路用の電源線を通す構成ではあるが、絶縁されたコイルと鉄心との距離が短く、水分が進入してリークした場合、絶縁が破れてショートすることとなり、電源線が破損するなどして、鉄道車両の運行が行えなくなる問題を有している。
また、この従来例は、給電線に用いる他に、パンタグラフと車体との間に碍子を設けることとなり、碍子の数が増加することにより、車両走行時に風の抵抗を受け、車両の高速化を阻害するとともに、風音・騒音などを発生させる欠点がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、パンタグラフ及び車体間に碍子を用いて車体側からパンタグラフに電力を供給することなく、パンタグラフに電力を供給することができるパンタグラフ用電源供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のパンタグラフ用電源供給装置は、交流き電方式において、架線からパンタグラフの舟体を介して集電される電力を、該パンタグラフから該鉄道車両の電源装置に主導体を介して供給する構成において、該主導体からパンタグラフ内の電気回路にて用いる電力を得る、パンタグラフに設けられるパンタグラフ用電源供給装置であり、前記主導体に１次側が取り付けられた変流器と、該変流器の２次側に生起される交流電流から直流電圧を生成する電源回路とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明のパンタグラフ用電源供給装置は、前記電源回路が、前記交流電流を整流する整流回路（例えば、実施形態のダイオードブリッジ１３１）と、該整流回路の＋側及び−側出力間に介挿されたスイッチング素子（例えば、実施形態のスイッチング素子１３２）と、前記整流回路の＋側及び−側出力間に介挿されたコンデンサと、前記＋側出力において、前記スイッチング素子にアノードが接続され、コンデンサにカソードが接続されたダイオードとを有していることを特徴とする。
【００１０】
本発明のパンタグラフ用電源供給装置は、前記コンデンサ間の出力電圧を測定し、予め設定した供給電圧となるように、前記スイッチング素子のオン／オフ制御を行う電圧制御回路（例えば、実施形態のコンパレータ１３７及び設定電圧部１３６）をさらに有することを特徴とする。
【００１１】
本発明のパンタグラフ用電源供給装置は、前記電圧制御回路が、出力電圧及び前記供給電圧に対応する閾値電圧を比較し、比較結果を前記スイッチング素子に対して出力するコンパレータを有し、出力電圧が供給電圧を超えたことを検出した場合にスイッチング素子をオンし、出力電圧が供給電圧以下である場合にスイッチング素子をオフすることを特徴とする。
【００１２】
本発明のパンタグラフ用電源供給装置は、前記供給電圧により、電力を貯蔵する電力貯蔵媒体をさらに有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、パンタグラフ内にて使用する電力全てを、パンタグラフ内にて生成することができ、外部から供給する必要が無くなり、新たな碍子の追加の必要が無くなり、騒音を増加させることなく、かつ電力供給線間の電気絶縁におけるショートなどを防止し、舟体を架線の凹凸に対応させて能動的に上下させる処理を行う動作等が容易に行えるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、交流き電方式の鉄道にて、車体の上部に設けられた架線からパンタグラフの舟体を介して集電される電力を、該パンタグラフから上記車体の駆動電源装置に主導体を介して供給する構成において、該主導体からパンタグラフ内の電気回路にて用いる電力を得るため、パンタグラフに設けられるパンタグラフ用電源供給装置である。
以下、本発明の一実施形態によるパンタグラフ用電源供給装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態が用いられる交流き電方式による鉄道車両、架線及びレールの関係からなる系統構成例を示す概念図である。
この図において、交流き電方式は、図示しないき電用変電所（または電鉄用変電所，交流変電所とも言う）から架線１００に対して交流電圧が供給される。
架線１００とレール１０１との間に鉄道車両２００が配置され、車体２０２に設けられた、走行のために車輪２０１を駆動する駆動系の駆動電源装置に対し、架線１００より駆動のための電力が供給される。
【００１５】
パンタグラフ１は、舟体３２により集電した電力を、主導体３０によって車体２０２内の駆動電源装置に対して供給する。
ここで、パンタグラフ１は架線１００に接触しているため、電圧が例えば２５０００Ｖであり、一方、車体２０２はレール１０１に接続しているため、電圧が仮想大地（接地）電位であるため、パンタグラフ１は車体２０２に対して、電気絶縁のための碍子２０を介して搭載（接続）されている。
ここで、上記主導体３０は、例えば、碍子２０の貫通孔２１を通って、上記駆動電源装置に接続されている。
あるいは、上述した碍子２０内に主導体３０を設ける構成ではなく、例えば、パンタグラフ１と車体２０２との間が絶縁体の碍子２０により絶縁分離された構成にて、パンタグラフ１から引き出された上記主導体３０がブッシングにより、車体２０２と絶縁されて固定され、パンタグラフ１から車体２０２の駆動電源装置に接続されるようにしてもよい。
【００１６】
接触力制御装置５０は、従来例に記載したように、架線１００と舟体３２との接触力を測定し、この測定した接触力が予め設定された数値となるよう、枠組み３１の高さを調整し、常に一定の接触力により架線１００と舟体３２とが接触するように、架線１００の凹凸に対応して、能動的に舟体３２の高さを制御するものである。
ここで、接触力制御装置５０は、例えば、舟体３２の架線１００に対する接触力を測定するため、舟体３２を支持する枠組み３１に設けられた支持バネの伸縮量を測定し、この伸縮量から同支持バネの押圧力を計算して測定接触力を求める。
【００１７】
また、接触力制御装置５０は、この測定される測定接触力が予め設定された設定接触力となるよう、この測定接触力と設定接触力との差分を演算し、この差分に応じて枠組み３１の高さ（車体２０２と架線と１００との距離方向の高さ）を、駆動機構により上下に駆動することで制御し、舟体３２の架線１００に対する接触力を一定とするよう能動的な制御を行う。上記測定及び演算の各処理は、接触力制御装置５０内部の電子回路（ＣＰＵ、メモリ及び論理素子など）により行われる。
ここで、舟体３２の支持バネの伸縮量は、一例として、この支持バネを介して接続されている舟体３２と枠組み３１との間の寸法を、渦電流式や光学式の距離センサを用いて測定する。また、この接触力を測定する方法と、測定結果から枠組み３１を上下に制御する駆動機構の制御値の演算とは、上述した方法に限らずどのような方法を用いても良い。
【００１８】
本発明の主要な構成であるパンタグラフ用電源供給装置１０は、主導体３０から電力を交流電流として取得する変流器１２と、得られた交流電流を直流電源に変換する電源回路１３とから構成されている。
また、上記構成に対して、パンタグラフ用電源供給装置１０は、電力貯蔵媒体１４をさらに設ける構成としてもよい。
このパンタグラフ用電源１０は、例えば、接触力制御装置５０内部の電子回路が稼働するために必要な電力や、枠組み３１を上下駆動するための駆動機構を駆動する駆動電力を供給する。例えば、駆動機構がモータにて枠組み３１を制御して舟体３２を上下させるのであれば、枠組み３１を上下に移動させるモータを駆動する駆動電力、また駆動機構が車体２０２のコンプレッサから供給される圧縮された空気の空気圧により枠組み３１制御して舟体３２を上下させるのであれば、空気圧により枠組み３１を上下に移動させる空気圧シリンダに空気を注入及び排出する電磁弁の開閉を駆動する駆動電力を供給することとなる。
【００１９】
また、図示するように、変流器１２は、一次側コイル１１が主導体３２に取り付けられ、２次側コイルの端子が電源回路１３の入力端子に接続されている。
上記変流器１２は、１次側コイル１１の巻き数と２次側コイルの巻き数との巻き数比（変流比）に応じ、１次側コイル１１が取り付けられた主導体３０に流れる交流電流により、２次側コイルに変流比に対応する交流電流が生起する。
例えば、巻き数比（変流比）を１（１次側コイル）：３００（２次側コイル）としておくことにより、例えば、主導体３０に１５００Ａの交流電流が流れると、１次側コイル１１に１５００Ａの交流電流が生起され、３００：１の変流比により２次側コイルには５Ａの交流電流が生起することになる。
【００２０】
また、電源回路１３の出力が電力貯蔵媒体１４の入力端子にも接続され、電源回路１３の生成した直流電圧が、電力貯蔵媒体１４（例えば、蓄電池）にて電力として蓄えられる。
そして、鉄道車両の車輪を駆動させない慣性走行時などの際、車体２０２に対して主導体３０を介して交流電流が流れないため、上記電力貯蔵媒体１４の貯蔵している電力を、上記電子回路が稼働するために必要な電力や、枠組み３１を上下駆動するための駆動電力として使用するようにしてもよい。
このとき、電源回路１３は、２次側コイル１５に電流が流れていないことを検知すると、内部の切りかえ回路により、変流器１２からの交流電流にて生成される直流電圧を電力として接触力制御装置５０に出力する経路を遮断し、電力貯蔵媒体１４から接触力制御装置５０に電力を供給する経路に接続する。
【００２１】
また、電源回路１３は、２次側コイル１５に電流が流れていることを検知すると、内部の切りかえ回路により、電力貯蔵媒体１４から接触力制御装置５０に電力を供給する経路を遮断し、変流器１２からの交流電流にて生成される直流電圧を電力として接触力制御装置５０に出力する経路へ接続する。
ここで、  電源回路１３は、例えば、２次側コイル１５の端子間の電圧（あるいは電流）を周期的に測定し、予め設定された端子間電圧（あるいは端子間電流）と比較し、測定した電圧が端子間電圧（あるいは端子間電流）を超えたことを検出した場合に電流が流れている状態とし、一方、測定した電圧が端子間電圧（あるいは端子間電流）以下であることを検出した場合に電流が流れていない状態とする。
【００２２】
以下、本実施形態におけるパンタグラフ電源供給装置１０の構成例を図２を用いて説明する。図２はパンタグラフ電源供給装置１０の構成を示すブロック図である。
ダイオードブリッジ１３１は、入力端子に２次側コイル１５（仮想的な定電流源）の両端が接続され、出力端子の＋側端子１３１Ｐが＋側出力線１３８Ｐに接続され、−側端子１３１Ｍが−側出力線１３８Ｍに接続されている。
本実施形態においては、整流回路として上記ダイオードブリッジ１３１を用いているが、ダイオードブリッジのように全波整流を行う素子であればいずれでもよく、例えば、オペアンプにて構成される反転型・半波整流回路の出力を、反転型・加算回路にて加算して全波整流する構成でも良い。
【００２３】
スイッチング素子１３２は、＋側出力線１３８Ｐ及び−側出力線１３８Ｍ間に接続され、＋側出力線１３８Ｐ及び−側出力線１３８Ｍ間の短絡／開放を行うためのスイッチ手段であり、例えば図２に示すように、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタを用いても良い。
すなわち、スイッチング素子１３２は、入力端子にオン信号が入力されるとオン状態（短絡状態）となり、＋側出力線１３８Ｐ及び−側出力線１３８Ｍ間を短絡し、オフ信号が入力されるとオフ状態となり、＋側出力線１３８Ｐ及び−側出力線１３８Ｍ間を開放（オープン状態）する。
【００２４】
ここで、スイッチング素子１３２は、例えば図２に示すように、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタの場合、入力端子がベースとなり、＋側出力線１３８Ｐ及び−側出力線１３８Ｍ間を短絡状態とするオン信号が「Ｈ」レベルの信号となり、＋側出力線１３８Ｐ及び−側出力線１３８Ｍ間を開放状態とするオフ信号が「Ｌ」レベルの信号となる。
また、スイッチング素子１３２は、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタの場合、コレクタが＋側出力線１３８Ｐに接続され、エミッタが−側出力線１３８Ｍに接続されている。
ここで、スイッチング素子１３２は、本実施形態においいてｎｐｎ型のバイポーラトランジスタとしたが、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタやＭＯＳトランジスタなど、スイッチング機能を有する素子であればいずれを用いても良い。
【００２５】
ダイオード１３３は、逆流阻止ダイオードであり、アノードが＋側出力線１３８Ｐに接続され、カソードが出力端子ＯＵＴＰに接続され、すなわち＋側出力端子と出力端子ＯＵＴＰとの間に介挿されている。
コンデンサ１３４は、上記逆流阻止ダイオードから供給される電流により、電荷を蓄積して出力電圧を生成する出力コンデンサであり、ダイオード１３３のカソードと、−側出力線１３８Ｍとの間に介挿されている。
サンプルホールド回路１３５は、出力端子ＯＵＴＰと出力端子ＯＵＴＭとの電位差、すなわちコンデンサ１３４の端子間の電圧を、設定された周期毎に測定して、測定された測定電圧を保持して出力する。
【００２６】
設定電圧部１３６は、電源回路１３の設定された供給電圧と同様の値の電圧である閾値電圧を出力する。
コンパレータ１３７は、出力端子がスイッチング素子１３２の入力端子（ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタの場合ベース）に接続され、＋側端子に測定電圧が入力され、−側端子に閾値電圧が入力され、この測定電圧及び閾値電圧の大小比較を行った比較結果として、測定電圧が閾値電圧を超えていることを検出した場合にオン信号、例えば「Ｈ」レベルの信号を出力し、逆に測定電圧が閾値電圧以下であることを検出した場合にオフ信号、例えば「Ｌ」レベルの信号を出力する。
上述したこうにより、電源回路１３は主導体３０に流れる交流電流から、変流器１２を介して交流電流を取得することにより、負荷５００（接触力制御装置５０内部の電子回路や、枠組み３１を上下駆動するための駆動機構）に対して直流の電力を供給する。
【００２７】
次に、図２を用いて、本実施形態によるパンタグラフ用電源供給装置の動作例を説明する。以下、スイッチング素子１３２をｎｐｎ型のバイポーラトランジスタとして、トランジスタ１３２として説明する。
＜測定電圧が閾値電圧以下の場合＞
サンプルホールド回路１３５は、内部のタイマーにて設定された周期にて、出力端子ＯＵＴＰの電圧を測定し、次の周期にて新たに電圧を測定するまで、測定した電圧を測定電圧として保持して出力する。
コンパレータ１３７は、サンプルホールド回路１３５の出力する測定電圧と、設定電圧部１３６の出力する閾値電圧とを比較し、測定電圧が設定電圧以下であることを検出すると、オフ出力、すなわち「Ｌ」レベルの信号をトランジスタ１３２のベースに対して出力する。
【００２８】
これにより、トランジスタ１３２は、オフ状態となるため、＋側出力線１３８Ｐ及び−側出力線１３８Ｍ間が開放された状態となる。
この結果、ダイオードブリッジ回路１３１の＋側出力端子から出力された全波整流された電流が、ダイオード１４２及びコンデンサ１３４を経由して流れ、コンデンサ１３４を充電する。
そして、コンデンサ１３の端子間の電圧、すなわち出力端子ＯＵＴＰの電圧が上昇することとなる。
【００２９】
＜測定電圧が閾値電圧を超えた場合＞
サンプルホールド回路１３５は、内部のタイマーにて設定された周期にて、出力端子ＯＵＴＰの電圧を測定し、次の周期にて新たに電圧を測定するまで、測定した電圧を測定電圧として保持して出力する。
コンパレータ１３７は、サンプルホールド回路１３５の出力する測定電圧と、設定電圧部１３６の出力する閾値電圧とを比較し、測定電圧が設定電圧を超えたことを検出すると、オン出力、すなわち「Ｈ」レベルの信号をトランジスタ１３２のベースに対して出力する。
これにより、トランジスタ１３２は、オン状態となるため、＋側出力線１３８Ｐ及び−側出力線１３８Ｍ間が短絡された状態となる。
【００３０】
この結果、ダイオードブリッジ回路１３１の＋側出力端子から出力された全波整流された電流が、＋側出力線１３８Ｐからトランジスタ１３２を介して−側出力線１３８Ｍに流れることとなり、ダイオード１４２及びコンデンサ１３４を経由しなくなるため、コンデンサ１３４に対する充電が行われない。
そして、コンデンサ１３の端子間の電圧は、すなわち出力端子ＯＵＴＰの電圧は、負荷５００に対して電力を供給することにより、除去に低下していくこととなる。
【００３１】
上述したように、本実施形態によるパンタグラフ電源供給装置１０は、舟体３２が集電した電力を車体の駆動電源装置に対して伝達する主導体３０に変流器１２の１次側コイルを取り付け、主導体３０に流れる交流電流から、変流器１２の変流比に応じて２次側コイルに生起する交流電流から直流電圧を生成し、出力端子ＯＵＴＰの出力電圧が、予め設定した供給電圧となるよう上述した、スイッチング素子３２をオン／オフ制御して、出力電圧を調整することにより、安定した出力電圧を主導体３０から得ることができる。
【００３２】
これにより、本実施形態のパンタグラフ電源供給装置１０によれば、負荷５００を駆動するための駆動電力を得るために、パンタグラフ１内に大きなバッテリを設ける必要が無く、かつ車体２０２から電力を供給する経路を設ける必要がなくなり、パンタグラフ１と車体２０２との間に碍子を新たに設ける必要もなくなる。
したがって、本実施形態のパンタグラフ電源供給装置１０を用いることにより、従来例に記載した能動的に舟体３２と架線１００との接触力を調整する駆動機構を有する能動制御用パンタグラフを容易に構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態によるパンタグラフ用電源供給装置が用いられる交流き電型のき電回路の一例を示す概念図である。
【図２】本発明の実施形態によるパンタグラフ用電源供給装置の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…パンタグラフ                  １０…パンタグラフ用電源供給装置
１１…１次側コイル                  １２…変流器
１３…電源回路                      １４…電力貯蔵媒体
１５…２次側コイル                  ２０…碍子
２１…貫通孔                        ３０…主導体
３１…枠組み                        ３２…舟体
５０…接触力制御装置              １００…架線
１０１…レール                      １３１…ダイオードブリッジ
１３１Ｐ…＋側出力端子              １３１Ｍ…−側出力端子
１３２…スイッチング素子            １３４…コンデンサ
１３５…サンプルホールド回路        １３６…設定電圧部
１３７…コンパレータ                １３８Ｐ…＋側出力線
１３８Ｍ…−側出力線                ２００…鉄道車両
２０１…車輪                        ２０２…車体
【図１】
2008245496.tif 000003
【図２】
2008245496.tif 000004