(57)【要約】【課題】複数パンタグラフを備えた電気車において、交直切換区間または電圧切換用無電圧区間の近くでの、集電中のパンタグラフの離線問題を可及的に回避する。【解決手段】交流き電区間又は相対的に高電圧のき電区間を走行中の車両が直流き電区間又は相対的に低電圧のき電区間に移行するための交直切換区間又は電圧切換用無電圧区間の近くに達したとき、少なくとも２組のパンタグラフをトロリー線に向けて上昇させるとともに各断路器のうち進行方向前位側のパンタグラフに直列の断路器を閉にし、かつ進行方向後位側のパンタグラフに直列の断路器を開に制御する制御手段を備える。【選択図】　図３
2004096886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２組のパンタグラフを備え、各パンタグラフにはそれぞれ断路器が直列に接続され、交流き電区間では進行方向後位側のパンタグラフおよびそれに直列の断路器を介して集電し、前記交流き電区間との間に交直切換セクションを介して設けられた直流き電区間では少なくとも２組のパンタグラフおよびそれに直列の断路器を介して集電し、トロリー線に印加されている電圧が交流か直流かに応じて前記パンタグラフおよび前記断路器を介して集電した電力を車両に搭載された交流用電力変換装置および直流用電力変換装置のいずれか一方に選択的に供給する交直流電気車の集電制御装置において、
交流き電区間または直流き電区間を走行している車両が交直切換セクションの近くに達したとき、少なくとも２組のパンタグラフを前記トロリー線に向けて上昇させるとともに前記各断路器のうち進行方向前位側のパンタグラフに直列の断路器を閉にし、かつ進行方向後位側のパンタグラフに直列の断路器を開に制御して車両を走行させる制御手段を備えたことを特徴とする交直流電気車の集電制御装置。
【請求項２】
前記複数のパンタグラフは同一車両に搭載された２組のパンタグラフからなっていることを特徴とする請求項１に記載の交直流電気車の集電制御装置。
【請求項３】
前記複数のパンタグラフは１編成内の異なる２車両に分散して搭載された２組のパンタグラフからなっていることを特徴とする請求項１に記載の交直流電気車の集電制御装置。
【請求項４】
前記複数のパンタグラフは１編成内の異なる３両以上の車両に分散して搭載された３組以上のパンタグラフからなり、前記制御手段は、直流き電区間では前記各パンタグラフをそれぞれ上昇させるとともに前記断路器は少なくとも進行方向最前位側の断路器を含む少なくとも２組の断路器を閉にし、交流き電区間では前記複数のパンタグラフをそれぞれ上昇させるとともに前記各断路器のうち進行方向最前位側のパンタグラフに直列の断路器を閉にし、かつ最前位よりも後方のパンタグラフに直列の断路器を開に制御することを特徴とする請求項１に記載の交直流電気車の集電制御装置。
【請求項５】
少なくとも２組のパンタグラフを備え、各パンタグラフにはそれぞれ断路器が直列に接続され、相対的に高電圧の第１の電圧区間では進行方向後位側のパンタグラフおよびそれに直列の断路器を介して集電し、前記第１の電圧区間との間に無電圧区間を介して設けられた相対的に低圧の第２の電圧区間では少なくとも２組のパンタグラフおよびそれに直列の断路器を介して集電し、トロリー線に印加されている電圧が交流か直流かに応じて前記パンタグラフおよび前記断路器を介して集電した電力を車両に搭載された交流用電力変換装置および直流用電力変換装置のいずれか一方に選択的に供給する交直流電気車の集電制御装置において、前記第１の電圧区間または第２の電圧区間を走行している車両が無加圧セクションの近くに達したとき、少なくとも２組のパンタグラフを前記トロリー線に向けて上昇させるとともに前記各断路器のうち進行方向前位側のパンタグラフに直列の断路器を閉にし、かつ進行方向後位側のパンタグラフに直列の断路器を開に制御して車両を走行させる制御手段を備えたことを特徴とする交直流電気車の集電制御装置。
【請求項６】
前記複数のパンタグラフは同一車両に搭載された２組のパンタグラフからなっていることを特徴とする請求項５に記載の複電圧電気車の集電制御装置。
【請求項７】
前記複数のパンタグラフは１編成内の異なる２車両に分散して搭載された２組のパンタグラフからなっていることを特徴とする請求項５に記載の複電圧電気車の集電制御装置。
【請求項８】
前記複数のパンタグラフは１編成内の異なる３両以上の車両に分散して搭載された３組以上のパンタグラフからなり、前記制御手段は、直流き電区間では前記各パンタグラフをそれぞれ上昇させるとともに前記断路器は少なくとも進行方向最前位側の断路器を含む少なくとも２組の断路器を閉にし、交流き電区間では前記複数のパンタグラフをそれぞれ上昇させるとともに前記各断路器のうち進行方向最前位側のパンタグラフに直列の断路器を閉にし、かつ最前位よりも後方のパンタグラフに直列の断路器を開に制御することを特徴とする請求項５に記載の複電圧電気車の集電制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流き電区間と直流き電区間を直通運転し、または、き電電圧の異なる区間を直通運転することが可能な電気車の集電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、交流き電区間と直流き電区間を直通運転することが可能な交直流電気車が存在し、特に出力の大きな電気機関車では、直流き電区間においては２組のパンタグラフを使用し、交流き電区間においては２組のパンタグラフのうち１組のみを使用することが多い。これは、国内の一般的なき電においては、直流き電の電圧に比べ、交流き電の電圧が高いため、同じ出力で比較すると交流き電区間における集電電流が、き電電圧比に応じて小さくなり、交流き電区間では１組のパンタグラフでも通電上問題ないためである。しかしながら、交流用の集電回路と直流用の集電回路とを走行中に切り換えることが可能な車上切換方式の交直流電気車においては、交流き電区間と直流き電区間の間の、一般に交直セクションと呼ばれる無加圧区間の直前の停車駅、あるいは最初の停車駅において、交流き電区間では集電しないが、直流き電区間において集電するための、交流き電区間で集電するものとは異なるパンタグラフの上昇／下降の動作を行っている。これはあくまでもパンタグラフの上昇／下降のみであって、電気的には、交直セクションを境に車両側の回路は交流用から直流用に、またはその逆に切り換えられていて、例えば、交流き電区間において２組のパンタグラフが上昇していたとしても、交直セクション通過後の直流き電区間における集電のために、予めもう１組のパンタグラフを上昇させているだけであって、電気的にはパンタグラフ断路器などと呼ばれる断路器（切換器）により、１組のみが集電を行い、他方は集電しないように回路構成されている。
【０００３】
ＡＴき電方式であって、電気的に接続されている２組のパンタグラフを上昇させていても問題ないようなき電区分方式もあるが、ＢＴき電方式で、必ずしも電源位相が一致しない変電所からの給電によるトロリー線を、一般に交々セクションとよばれる無加圧区間を介して接続している場合には、電気的に接続された状態にある上昇している２組のパンタグラフ間の距離がたまたま無加圧区間長よりも長いと、車両がパンタグラフを上昇させたまま通過するときに、必ずしも電源位相が一致しない変電所からの給電による二つのトロリー線を短絡してしまい、大事故に至るため、１組のみが集電を行い、他方は集電しないように電気的なインターロック回路を構成するのが一般的である。海外では、走行中にパンタグラフの上昇／下降を行っていることもあるが、国内では、走行中のパンタグラフの上昇／下降を行うことは一般的でないため、上記のように実際は集電していないパンタグラフも上昇させたまま走行することのほうが一般的である。
【０００４】
一方、車両の屋上に設けられている機器の保護などの理由から、交流き電区間においては、２組のパンタグラフのうち進行方向に対し後位側のパンタグラフを使用することが多い。この場合、前述の理由により、予め上昇させておく交流き電区間では集電しないパンタグラフが進行方向前位側になり、実際に集電するパンタグラフが進行方向後位側のパンタグラフになる。また、交流き電区間で使用するパンタグラフを２組のうちのいずれかに決めているような場合、進行方向により、実際に集電するパンタグラフは進行方向後位側のパンタグラフになることがある。
【０００５】
また、交直流電気車に限らず、き電電圧の異なる区間を直通運転する複電圧電気車においても、電圧が高い区間であれば電圧値に応じて電流値は小さくなるので、１組のみの集電装置でよいが、電圧の低い区間に進入すると集電電流が大きくなるので、通電容量の問題などから２組のパンタグラフを使用する必要が生じる。この場合、上述の交直流電気車のように、電圧の低いき電区間に進入する前に２組の集電装置を上昇させておくという点については同様である。
【０００６】
図７は、パンタグラフを２組搭載した交直流電気車の、従来から一般的な、交流き電区間での回路の切換状態を示したものである。この電気車には、トロリー線１から集電するために２組の集電装置としてパンタグラフ２ａ，２ｂが搭載されている。パンタグラフ２ａ，２ｂにはそれぞれパンタグラフ断路器３ａ，３ｂが直列に接続され、両パンタグラフ断路器３ａ，３ｂの共通接続点が真空遮断器４および交直切換器５を介して交流用電力変換装置（ＡＣ用ＰＣＶ）６または直流用電力変換装置（ＤＣ用ＰＣＶ）８に選択的に接続される。交直切換器５と直流用電力変換装置８との間には高速度遮断器（ＨＢ）７が接続されている。パンタグラフ断路器３ａ，３ｂの共通接続点には交流電圧検知装置９および直流電圧検知装置１０が接続されている。
【０００７】
パンタグラフ２ａ，２ｂは通常いずれか一方のみが集電動作を行い、いずれのパンタグラフから集電するかに従い、乗務員は運転室などに設けられたパンタグラフ選択スイッチ（図示しない）により所望のパンタグラフを自由に選択することができる。パンタグラフ断路器３ａ，３ｂもまた乗務員が自由に選択することができる。一般的には、進行方向後位側のパンタグラフを使用することが多いので、本図のような車両進行方向１１（図上、右から左の方向）の場合には、パンタグラフ断路器３ｂを閉じ、それに直列の右側のパンタグラフ２ｂを上昇させ、左側のパンタグラフ２ａを降下させる。その場合、パンタグラフ２ａに直列のパンタグラフ断路器３ａは必ずしも断路状態にする必要はないが、断路状態にしておくのが一般的である。交直切換器５が交流側に正しく転換している条件で、主遮断器である真空遮断器４を投入すると、交流用電力変換装置６に交流電力が供給され、その出力により走行用の主電動機（図示しない）が駆動され車両が走行する。
【０００８】
図８は、図７の回路構成と同一の電気回路を搭載した交直流電気車が直流き電区間を走行する時の切換状態を示したものである。車両基地でのき電区分構成やセクション長の都合上、直流き電区間であっても、いずれか一方のパンタグラフのみを使用することもあるが、直流き電区間の場合、一般的には、通電容量の面から両パンタグラフを使用することが多い。そこで、本図のように両パンタグラフ２ａ，２ｂを共に上昇させ、両パンタグラフ断路器３ａ，３ｂを閉じておく。この場合、交直切換器５が直流側に正しく転換している条件で、主遮断器である真空遮断器４と高速度遮断器７を投入することにより、直流用電力変換装置８に直流電力が供給され、その出力により走行用の主電動機（図示しない）が駆動されて車両が走行する。
【０００９】
交流き電区間と直流き電区間の間を直通運転するための交直流電気車には、図７の回路状態と図８の回路状態のほかに、一般に交直セクションと呼ばれる、交流き電区間と直流き電区間の突合せ部に設けられている突合せ無加圧区間を走行するための切換状態が存在する。駅などでの停車中に両パンタグラフを一旦降下させて無加圧状態にし、交流き電から直流き電、あるいは直流き電から交流き電への切換を行い、それを確認してから、車両側も対応して切り換えた状態で改めてパンタグラフを上昇させる地上切換方式もあるが、本線上に設けられた交直セクションを停車しないで通過しながら車両側の回路を切り換える車上切換方式では、交流き電区間から直流き電区間への運転時において、図９に示すような状態が存在する。図９の回路状態というのは、図７に示す回路状態からパンタグラフ断路器３ａが開いたままパンタグラフ２ａが上昇した状態である。
【００１０】
交流き電区間においては、電源の異なる変電所からの給電も考慮し、交々セクションと呼ばれるトロリー線を各変電所ごとに電気的に切り放しておくための無加圧区間があり、二つの異なる変電所からの電力はこの交々セクションで必ず切り放されるので、互いの電圧位相がずれていたとしても問題ないが、図８（直流き電）におけるパンタグラフと断路器の開閉状態でこの交々セクションを通過すると、一般的には両パンタグラフ間の距離が無加圧区間の長さよりも長いので、電圧値の異なる二つのき電区間を短絡してしまい、また両区間の電圧位相はずれているのが一般的なので、ほぼ確実に大事故に至る。そこで、交流き電区間を走行する場合は、たとえ両方のパンタグラフを上昇させていても、いずれか一方の断路器を開放しておくのがＢＴき電区間では一般的である。因みに、ＡＴき電方式では、上記のような交々セクションの構成ではなく、その列車の引き通されたすべてのパンタグラフが一つの給電区分に入った状態で次の給電区分に一括して切り換える方式なので、図８におけるパンタグラフと断路器の開閉状態で走行可能である。ただし、そのようなＡＴき電方式はあまり一般的ではなく、ごく一部に限定されている。
【００１１】
上記のような短絡事故を防止するため、交流き電区間から直流き電区間へと直通運転する場合には、図９に示すように、直流き電区間で付加的に使用するパンタグラフ２ａを交直セクションの手前の停車駅で、パンタグラフ断路器３ａを開いまま予め上昇させた状態で交直セクションに向け走行を行うことが従来から行われている。また、直流き区間から交流き区間への直通運転の場合にも、交直セクション通過後はパンタグラフ断路器３ａを開いたままパンタグラフ２ａを交直セクションの次の停車駅まで上昇させた状態で走行することが従来から行われている。ところが、図９の状態では、実際に集電しているのは進行方向後位側のパンタグラフ２ｂのみであるにもかかわらず、進行方向前位側のパンタグラフ２ａが先にトロリー線１を押上げるので、車両の速度や、パンタグラフの押上げ力、トロリー線の張り方や、そのときの風や着雪の状況によっては、トロリー線１の動きにパンタグラフ２ｂが追従しきれずに、図１０に示すように、実際に集電している進行方向後位側のパンタグラフ２ｂがトロリー線１から離線してしまうという問題があった。
【００１２】
図１１は、従来から一般的な、車両の各機器とそれを制御する装置間のインターフェイスを模式的に示したものである。図中、矢印が双方向になっているものは、制御回路（ＣＴＲ）１３からの指令に対して、各機器からの応答があるものを示す。例えば、主遮断器である真空遮断器４は制御回路１３からの指令により投入され、投入完了したこと、あるいは完了していないことを示す信号を真空遮断器（ＶＣＢ）４から制御回路１３に返すことができる。パンタグラフの駆動方式には、現状では空気圧上昇方式やバネ圧上昇方式などがあるが、そのいずれにおいても、パンタグラフ２ａ（Ｐａｎ１），パンタグラフ２ｂ（Ｐａｎ２）は空気管であるパンタグラフ管１５ａ，１５ｂを介してパンタグラフ電磁弁１２ａ，１２ｂ（ＰａｎＶ１，ＰａｎＶ２）と接続されていて、制御回路１３からの指令により、パンタグラフ電磁弁１２ａ，１２ｂが給気／排気を行うと、パンタグラフ（Ｐａｎ１，Ｐａｎ２）２ａ，２ｂが上昇／下降を行う。交流電圧検知装置（ＡＣＶＲ）９および直流電圧検知装置（ＤＣＶＲ）１０はそれぞれトロリー線１に加圧されている電圧が交流か直流かを判断するために設けられているものであって、それぞれの検知結果を制御回路１３に報告する。さらに、制御回路１３は車両情報制御装置（ＥＣＵ）１４と接続されていて、ここには図示していない機器や装置も含めて車両全般の状態把握や制御を車両情報制御装置１４が司っている。
【００１３】
図１２は、従来から一般的な、交流き電区間から直流き電区間への直通運転のフローを、また図１３は、反対に直流き電区間から交流き電区間への直通運転のフローを、それぞれ模式的に示したものである。
【００１４】
図１２において、最初の条件は、交流き電区間の図７に示す状態での走行を示したもので、まず、進行方向後位側のパンタグラフ２ｂで集電して走行する（ステップＳ１０１）。次の条件で、停車中に、乗務員が運転席などにあるパンタスイッチ１８（図１１）を「片パンタ」から「両パンタ」に切り換えると、パンタグラフ断路器（ＤＳ１）３ａは開放のまま、パンタグラフ（Ｐａｎ１）２ａが上昇し（ステップＳ１０２）、交直セクション通過後の直流き電区間での集電に備えた図９の状態になる。走行を再開し（ステップＳ１０３）、交直セクションの手前において、走行中に乗務員が交直選択スイッチ１７（図１１）を「交流」から「直流」に切り換えると、交直切換器（ＡＤＣｇ）５が直流側に転換し、パンタグラフ断路器（ＤＳ１）３ａが投入され両方のパンタグラフで集電する図８の状態になる。交流電圧検知装置（ＡＣＶＲ）９が交流電圧を検知している間は、主遮断器である真空遮断器（ＶＣＢ）４が開放し、そのまま交直セクションに進入する。交直セクション通過後、直流き電区間に進入し、直流電圧検知装置（ＤＣＶＲ）１０が直流電圧を検知すると、主遮断器である真空遮断器（ＶＣＢ）４が再投入されて（ステップＳ１０４）、再び両方のパンタグラフで集電して走行を開始する（ステップＳ１０５）。
【００１５】
図１３は、最初の条件として、直流き電区間の図８に示す状態での走行を示したもので、まず、両方のパンタグラフで集電して走行を開始する（ステップＳ２０１）。交直セクションの手前において、走行中に乗務員が交直選択スイッチ１７（図１１）を「直流」から「交流」に切り換えると、交直切換器（ＡＤＣｇ）５が交流側に転換し、パンタグラフ断路器（ＤＳ１）３ａが開放され進行方向後位側のパンタグラフ２ｂで集電する図９の状態になる。交流電圧検知装置（ＡＣＶＲ）９が交流電圧を検知していない間は、主遮断器である真空遮断器（ＶＣＢ）４が開放し、そのまま交直セクションに進入する。交直セクション通過後、交流き電区間に進入し、交流電圧検知装置（ＡＣＶＲ）９が交流電圧を検知すると、主遮断器である真空遮断器（ＶＣＢ）４が再投入されて再び、力行が可能となり、走行を始める（ステップＳ２０２）。さらに、最寄の停車駅などでの停車中に、乗務員が運転席などにあるパンタスイッチ１８（図１１）を「両パンタ」から「片パンタ」に切り換えると、パンタグラフ（Ｐａｎ１）２ａが降下し（ステップＳ２０２）、交流き電区間を１組のパンタグラフ（Ｐａｎ２）２ｂで走行する通常の交流き電区間での図７の状態になる（ステップＳ２０４）。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
すでに述べたように、実際には集電していない進行方向前位側のパンタグラフ２ａを上昇させたまま走行すると、以下のような問題が生じる。
【００１７】
すなわち、トロリー線の張り方や張力、パンタグラフの押上げ力、２組のパンタグラフ間の距離、および車両速度に大きく左右されるものとして、トロリー線１の離線問題が存在することである。トロリー線１の離線問題は強風や着雪などの自然環境によっても変化するが、車両が走行し、進行方向前位側のパンタグラフ２ａがトロリー線１を押上げながら走行すると、その押上げ力の影響でトロリー線１が上下に振動をし始めることが発端となって生じる。トロリー線の上下振動があったとしてもトロリー線の動きに忠実に追従することがパンタグラフに求められる追従性能であるとはいえ、ちょうどトロリー線が上方向に変位しようとしているときに、偶然、それまでのトロリー線高さの影響などにより下方向に動き始めていた進行方向後位側のパンタグラフ２ｂがそこを通過した、などの条件が重なることにより、パンタグラフ２ｂがトロリー線１の動きに追従できなかった場合、この進行方向後位側のパンタグラフ２ｂが離線してしまうのである。パンタグラフの追従性を向上させるとしても、トロリー線の振動の方がパンタグラフの動きよりも速いことがあるのは明らかであり、上記の離線は避けられない問題である。
【００１８】
前述のように、上昇させておくだけで交流き電区間では集電しないパンタグラフが進行方向前位側のものであり、実際に集電するパンタグラフは、進行方向後位側のものである場合、あるいは、交流き電区間で使用するパンタグラフを２組のうちのいずれかに決めていて、進行方向により、交流き電区間で実際に集電するパンタグラフが、進行方向後位側のものである場合、上記のような進行方向前位側のパンタグラフの影響で進行方向後位側のパンタグラフが離線すると、車両としても電気的に断たれる虞がある。そのような場合には、車両に搭載している走行用の電力変換装置、あるいは電力供給用の電力変換装置にとっては、短時間の停電（いわゆる瞬停）になり、場合によってはこの突然の瞬停が原因となって装置の故障に至りかねないという問題点があった。また、集電中のパンタグラフがトロリー線から離線した場合、パンタグラフとトロリー線との間には、離線の瞬間に非常に大きなアークを発生するので、パンタグラフのすり板溶損などの事故に至りかねないという問題もあるほか、すり板の溶損状況によっては平滑でなくなったすり板がトロリー線を傷つけてしまい、場合によってはトロリー線を切断するような事故に至りかねないという問題点もあった。
【００１９】
上記の交直流電気車に限らず、複電圧電気車においても同様であり、き電電圧が低い区間では進行方向前後両パンタグラフを使用する必要が生じるため、直流どうし、交流どうしの直通運転であっても、交直流電気車と同じ問題点を持っている。すなわち、進行方向前後両方のパンタグラフを上昇させてはいるが、進行方向後位のみパンタグラフ断路器が閉じている状態での、き電電圧の高い区間での走行中に、進行方向後位側の集電装置は、進行方向前位側の集電装置の影響で離線するという交直流電気車と同様の問題点があった。
【００２０】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたもので、実際は集電していない進行方向前位側のパンタグラフも上昇させたまま、交流き電区間を走行する場合でも安定して集電できる交直流電気車の集電回路を提供することを第１の目的とする。
【００２１】
さらに本発明は、実際は集電していない進行方向前位側のパンタグラフも上昇させたまま、高い電圧のき電区間を走行する場合でも安定して集電できる複電圧電気車の集電回路を提供することを第２の目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、第１の目的を達成するために、少なくとも２組のパンタグラフを備え、各パンタグラフにはそれぞれ断路器が直列に接続され、交流き電区間では進行方向後位側のパンタグラフおよびそれに直列の断路器を介して集電し、交流き電区間との間に交直切換セクションを介して設けられた直流き電区間では少なくとも２組のパンタグラフおよびそれに直列の断路器を介して集電し、トロリー線に印加されている電圧が交流か直流かに応じてパンタグラフおよび断路器を介して集電した電力を車両に搭載された交流用電力変換装置および直流用電力変換装置のいずれか一方に選択的に供給する交直流電気車の集電制御装置において、交流き電区間または直流き電区間を走行している車両が交直切換セクションの近くに達したとき、少なくとも２組のパンタグラフをトロリー線に向けて上昇させるとともに各断路器のうち進行方向前位側のパンタグラフに直列の断路器を閉にし、かつ進行方向後位側のパンタグラフに直列の断路器を開に制御して車両を走行させる制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の交直流電気車の集電制御装置において、複数のパンタグラフは同一車両に搭載された２組のパンタグラフからなっていることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の交直流電気車の集電制御装置において、複数のパンタグラフは１編成内の異なる２車両に分散して搭載された２組のパンタグラフからなっていることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の交直流電気車の集電制御装置において、複数のパンタグラフは１編成内の異なる３両以上の車両に分散して搭載された３組以上のパンタグラフからなり、制御手段は、直流き電区間では各パンタグラフをそれぞれ上昇させるとともに断路器は少なくとも進行方向最前位側の断路器を含む少なくとも２組の断路器を閉にし、交流き電区間では複数のパンタグラフをそれぞれ上昇させるとともに各断路器のうち進行方向最前位側のパンタグラフに直列の断路器を閉にし、かつ最前位よりも後方のパンタグラフに直列の断路器を開に制御することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項５に係る発明は、第２の目的を達成するために、少なくとも２組のパンタグラフを備え、各パンタグラフにはそれぞれ断路器が直列に接続され、相対的に高電圧の第１の電圧区間では進行方向後位側のパンタグラフおよびそれに直列の断路器を介して集電し、第１の電圧区間との間に無電圧区間を介して設けられた相対的に低圧の第２の電圧区間では少なくとも２組のパンタグラフおよびそれに直列の断路器を介して集電し、トロリー線に印加されている電圧が交流か直流かに応じてパンタグラフおよび断路器を介して集電した電力を車両に搭載された交流用電力変換装置および直流用電力変換装置のいずれか一方に選択的に供給する交直流電気車の集電制御装置において、第１の電圧区間または第２の電圧区間を走行している車両が無加圧セクションの近くに達したとき、少なくとも２組のパンタグラフをトロリー線に向けて上昇させるとともに各断路器のうち進行方向前位側のパンタグラフに直列の断路器を閉にし、かつ進行方向後位側のパンタグラフに直列の断路器を開に制御して車両を走行させる制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２７】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の複電圧電気車の集電制御装置において、複数のパンタグラフは同一車両に搭載された２組のパンタグラフからなっていることを特徴とするものである。
【００２８】
請求項７に係る発明は、請求項５に記載の複電圧電気車の集電制御装置において、複数のパンタグラフは１編成内の異なる２車両に分散して搭載された２組のパンタグラフからなっていることを特徴とするものである。
【００２９】
請求項８に係る発明は、請求項５に記載の複電圧電気車の集電制御装置において、複数のパンタグラフは１編成内の異なる３両以上の車両に分散して搭載された３組以上のパンタグラフからなり、制御手段は、直流き電区間では各パンタグラフをそれぞれ上昇させるとともに断路器は少なくとも進行方向最前位側の断路器を含む少なくとも２組の断路器を閉にし、交流き電区間では複数のパンタグラフをそれぞれ上昇させるとともに各断路器のうち進行方向最前位側のパンタグラフに直列の断路器を閉にし、かつ最前位よりも後方のパンタグラフに直列の断路器を開に制御することを特徴とするものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００３１】
＜実施の形態１＞
交直流電気車における離線問題を解決するために、一方のパンタグラフのみで集電して走行する場合、本発明によれば、図１に示すように、進行方向前位側のパンタグラフ２ａが集電するようにパンタグラフ断路器３ａを閉じ、交々セクション短絡防止のため、離線する進行方向後位側のパンタグラフ２ｂについては、上昇させてはおくが、それに直列のパンタグラフ断路器３ｂを開いた状態とする。この図１の切換状態は、進行方向後位側のパンタグラフ２ｂが離線することがあっても、電気的には進行方向前位側のパンタグラフ２ａから中断することなく集電し続けることが可能であることを示すものである。
【００３２】
図２は、本発明における車両の各機器とそれを制御する装置間のインターフェイスを模式的に示したものである。図２の装置はすでに述べた図１１の装置を基本とし、それに車両位置検知装置１６を付加したものである。この車両位置検知装置１６は、衛星との通信によって自車の位置情報を得るＧＰＳ（全地球測位システム）と呼ばれているものや、線路に沿って地上に配置された地上子を車両に搭載された地上子検知手段によって検知する方式、などであり得る。ＧＰＳを使用する場合には、車両情報制御装置１４との間で情報の授受が可能であるように構成し、従来から一般的な車両位置の確認だけでなく、交直切換セクションと車両の位置関係が車両情報制御装置１４において把握できるように構成される。予め、交直切換セクションの位置と、どちら側が交流き電区間か、あるいは直流き電区間かが明確になっていれば、必ず乗務員が確認した後でなければ扱い得なかった機器の動作（図１２、図１３参照）を遠隔化し自動化することができる。以下、図２の構成の車両において、本発明における交流き電区間から直流き電区間への直通運転のフローと、反対に直流き電区間から交流き電区間への直通運転のフローを図３および図４を参照してさらに詳細に説明する。
【００３３】
図３は、本発明における、交流き電区間から直流き電区間への直通運転のフローを模式的に示したものである。ＡＮＤ回路２１における入力条件として、「停車中であること」は必ずしも必要ではないが、車両を立ち上げたときに、まず停車している状態で条件を整えなければならないため設定している。「交流き電区間であること」は、ＧＰＳにおいて車両の位置が確認できていれば、ＧＰＳの出力信号を利用することも可能であるが、地上切換方式の区間では、トロリー線１に加圧されている電圧が交直いずれの場合もあり得るので、交流電圧検知装置９によってトロリー線１に加圧されている電源電圧を確認するのが確実である。交直切換スイッチ１７は「交流」側に切り換えておく。最後に、パンタグラフの選択については、使用するパンタグラフを乗務員が任意に選択できるので、交流き電区間においては通電容量の問題はないため、まず「片パンタ」を選択しておく。このとき、進行方向前位側のパンタグラフ２ａは降下、進行方向後位側のパンタグラフ２ｂは上昇、パンタグラフ断路器（ＤＳ１）３ａは開放、パンタグラフ断路器（ＤＳ２）３ｂは投入（図７参照）となっていることを確認し、主遮断器である真空遮断器（ＶＣＢ）４を投入することにより、走行が可能となる（ステップＳ３０１）。
【００３４】
次の条件として、走行開始した後、交直切換セクション手前の駅で停車した際に、直流き電区間での走行に備え、図７に示す回路状態から、図１の回路状態（トロリー線１は除く）にするために、車両情報制御装置１４に含まれるＡＮＤ回路２２において、進行方向が「前進」であることの確認、停車したことの確認、交々セクションを跨いだ位置で停車していないことの確認、およびパンタスイッチ１８が「片パンタ」から「両パンタ」のポジションに切り換えられていることの確認を行う。進行方向の確認は、どちらのパンタグラフで集電するべきか、さらに進行方向前位側のパンタグラフを認識するために必要なものであり、停車したことの確認は、走行中にパンタグラフを上昇させないために必要なものであり、交々セクションを跨いだ位置で停車していないことの確認は、万が一、交々セクションを跨いで両パンタグラフ２ａ，２ｂを上昇させてしまうと、次に行われるパンタグラフ断路器（ＤＳ１）３ａを投入した際に、異なるき電区間を短絡して大事故になり得るため、また、その短絡を防止する目的で行われる。そのため、一旦パンタグラフ断路器（ＤＳ２）３ｂを開放してからパンタグラフ断路器（ＤＳ１）３ａを投入する方式では、その前に主遮断器である真空遮断器（ＶＣＢ）４を開いて負荷を切り放しておく必要があり、その際、車両全体の電源が断たれてしまうため、このような順序で機器を動作させることができないことから、交々セクションを跨いだ位置で停車していないことの確認をしておくことが必要になる。進行方向の確認については、一般的には、停車するまでと同じ方向に進行すると考えてよいが、この停車駅以降、反対方向に進むような特殊ケースでは乗務員のスイッチや画面からの入力、あるいは、車両情報制御装置１４に車両の運転時刻表などの運転情報が入力されていれば、車両情報制御装置１４自体で認識可能である。車両情報制御装置１４には速度情報が入力されているのが一般的であるから、停車したことの確認は、、その速度情報をもとに車両情報制御装置１４自体で認識可能である。交々セクションを跨いだ位置で停車していないことの確認は、地上に特別の地上子を設置しなくても、ＧＰＳからの位置情報を利用し、その位置には交々セクションがないことを予め入力しておけば、車両情報制御装置１４自体で認識可能である。
【００３５】
以上の条件を用いて、車両情報制御装置１４から自動でパンタグラフや、パンタグラフ断路器の切換を行うことも可能であるが、乗務員への意識付けの意味も考慮し、運転席などにあるパンタスイッチ１８を乗務員が「片パンタ」から「両パンタ」へ切り換えたことを条件に、進行方向前位側のパンタグラフ２ａを上昇させ（ステップＳ３０２）、続けてパンタグラフ断路器（ＤＳ１）３ａを投入し（ステップＳ３０３）、さらパンタグラフ断路器（ＤＳ２）３ｂを開放する（ステップＳ３０４）と、図１に示す進行方向前位側のパンタグラフ２ａが集電するようにパンタグラフ断路器３ａを閉じ、進行方向後位側のパンタグラフ２ｂは上昇しているが、パンタグラフ断路器３ｂが開いていて、トロリー線１とは切り放された状態とする。
【００３６】
以上の状態で走行を開始する（ステップＳ３０５）。従来は交直切換セクションの手前で乗務員が交直切換スイッチ１７を切り換えたり、地上子を利用したりしていた。ＧＰＳ等の車両位置検知装置１６からの位置情報を利用すれば、車両情報制御装置１４から乗務員が交直切換スイッチ１７を切り換えたことに相当する切換信号を出力して、一旦主遮断器である真空遮断器４を開放し、さらに交直切換セクションの無加圧区間に進入したことや、直流き電区間に進入して再加圧されたことを車両位置検知装置１６からの位置情報に基づいてＡＮＤ回路２３において判断し、パンタグラフ断路器（ＤＳ２）３ｂの投入と、主遮断器である真空遮断器４の再投入を行う（ステップＳ３０６）。直流き電区間に進入したら、パンタグラフ断路器（ＤＳ２）３ｂの投入と、主遮断器である真空遮断器４の再投入が行われ（ステップＳ３０６）、再び２組のパンタグラフ２ａ，２ｂにより集電して直流き電区間での力行を可能とする（ステップＳ３０７）。
【００３７】
図４は、本発明における、直流き電区間から交流き電区間への直通運転のフローを模式的に示したものである。基本的な考え方や、情報の授受については、図３の場合と同様である。ただし、次の点が異なる。
【００３８】
まず、直流き電区間からの走行なので、当初は図８に示すように、パンタグラフ２ａ，２ｂは両方とも上昇しているほか、パンタグラフ断路器３ａ，３ｂも両方とも投入状態である。したがって、交直切換セクション通過後、交流き電区間において、図１の切換状態にするためには、進行方向を認識している条件で、この場合には進行方向後位側のパンタグラフ断路器（ＤＳ２）３ｂを開放するだけでよい。
【００３９】
ところが、この図１のパンタグラフ状態から図７のパンタグラフ状態に移るためには、集電するパンタグラフを進行方向前位側のパンタグラフ２ａから、進行方向後位側のパンタグラフ２ｂに切り換える必要がある。そこで、この場合には、車両情報制御装置１４に含まれるＡＮＤ回路３１において、停車したことの確認、交々セクションを跨いだ位置で停車していない（直流き電区間である）ことの確認、交直切換スイッチ１７が「直流」位置にあることの確認、およびパンタスイッチ１８が「両パンタ」位置にあることの確認を行い、それらの確認事項がすべて満たされていることを条件として、両パンタグラフ断路器（ＤＳ１，ＤＳ２）３ａ，３ｂとも投入し、主遮断器である真空遮断器４を投入し、車両走行を行わせる（ステップＳ４０１）。
【００４０】
走行を開始した後、交直切換セクションに進入した時、交流き電区間での走行に備え、図８に示す回路状態から、図１の回路状態にするために、ＡＮＤ回路３２において、走行中であることの確認、進行方向が「前進」であることの確認、交直切換スイッチ１７が「交流」位置にあることの確認、主遮断器である真空遮断器４が開放されていることの確認、および交直切換セクションに進入したことの確認をとって、パンタグラフ断路器（ＤＳ１）３ａを投入し、パンタグラフ断路器（ＤＳ２）３ｂを開き、続けて主遮断器である真空遮断器４を再投入し、走行を継続する（ステップＳ４０２）。これにより、進行方向前位側のパンタグラフ２ａのみが集電する回路状態になる（図１参照）。後位側パンタグラフ２ｂは上昇しているが、それに直列のパンタグラフ断路器３ｂが開いていて、集電作用を行うことはない。
【００４１】
交直切換セクションに進入し、車両が停止したら、ＡＮＤ回路３３において、停車したことの確認、交々セクションを跨いでいないことの確認、およびパンタスイッチ１８を「片パンタ」位置から「両パンタ」位置に切り換えられていることの確認を行い、パンタグラフ断路器（ＤＳ２）３ｂを開から閉にし（ステップＳ４０３）、パンタグラフ断路器（ＤＳ１）３ａを閉から開にし（ステップＳ４０４）、さらに進行方向後位側のパンタグラフ２ｂを上昇させたまま、進行方向前位側のパンタグラフ（Ｐａｎ１）２ａを降下させる（ステップＳ４０５）ことにより、交流き電区間を後位側のパンタグラフ（Ｐａｎ２）２ｂからの集電での走行が可能となる（ステップＳ４０６）。各ステップにおける各条件の必要性などは、図３の説明において述べた通りである。
【００４２】
また、図３の説明および図４の説明のいずれにおいても明記してはいないが、主遮断器である真空遮断器４の再投入を行う前には、交直切換器５の転換が正しく行われていることが必要なことは言うまでもない。
【００４３】
以上のように、図２から図４に示す構成を用いることにより、交流き電区間から直流き電区間に直通運転するための交直切換セクションに向けての走行中、あるいは、交直切換セクション通過後の交流き電区間の走行中、図１に示したような進行方向前位側のパンタグラフ２ａが集電するようにパンタグラフ断路器３ａを閉じ、進行方向後位側のパンタグラフ２ｂは上昇させてはおくが、パンタグラフ断路器３ｂを開いた状態、すなわち、進行方向後位側のパンタグラフ２ｂが離線することがあっても、電気的には進行方向前位側のパンタグラフ２ａから継続的に集電し続けることが可能な状態を実現することができる。
【００４４】
＜実施の形態２＞
車両の編成によっては、主電動機を駆動するための主たる電力変換装置および集電装置（パンタグラフ）を１車両にのみ搭載する構成ではなく、２両以上の車両編成を組むことを前提として、重量配分や機器配置の都合により、集電装置と電力変換装置が異なる車両に搭載される場合も多い。
【００４５】
図５は、２両目の車両に主たる電力変換装置が搭載され、集電装置としてのパンタグラフ２ａ，２ｂが１両目と２両目の両車両に分散配置されている例を示すものである。両車両間の給電線は一般的には屋上に設けられる車両間渡り線１９を介して接続される。進行方向前位側のパンタグラフ２ａの影響によるトロリー線１の不要な振動、すなわち、進行方向後位側のパンタグラフ２ｂの追従性に与える悪影響は、このような二つのパンタグラフ２ａ，２ｂ間の距離の大きいほうが、トロリー線１の振幅が大きいときに進行方向後位側のパンタグラフ２ｂが通過する可能性が高くなるために、問題としては深刻である。図５に示すように、パンタグラフ断路器３ｂを開とし、パンタグラフ断路器３ａを閉として、進行方向前位側のパンタグラフ２ａで集電するのであれば、進行方向後位側のパンタグラフ２ｂが、たとえトロリー線１に叩かれるような激しい動きを受けても、なんら問題はない。
【００４６】
図６は、３両の車両に３組のパンタグラフ２ａ，２ｂ，２ｃが分散配置されている車両構成の一例を示したものである。ここでは各パンタグラフが上昇しているが、パンタグラフ断路器は進行方向最前位のパンタグラフ２ａに直列のパンタグラフ断路器３ａのみが閉じて、他のパンタグラフ断路器２ｂ，２ｃは開いている。本図のように、集電装置を構成するパンタグラフの数が増えたり、またパンタグラフ間の距離が長くなっても、本発明においては、何ら問題なく安定した集電が可能である。なお、車両情報制御装置１４（図２参照）は、複数の車両を連結して走行するような場合には、各車両に搭載されている各車両情報制御装置が既設の通信手段を介して互いに情報の連絡をとりあうことが可能であるから、複数車両に装置が分散配置されていても、車両間に新たな制御線を追加したりすることなく、本発明を実現することが可能である。
【００４７】
＜実施の形態３＞
以上の説明においては、直流き電区間と交流き電区間を直通運転する交直流電気車の場合について述べたが、一般的な電気鉄道においては、直流き電よりも交流き電の方が高電圧であり、同じ出力を発揮しようとすると直流き電区間における通電電流は、その電圧の比に応じて交流き電区間よりも大きな電流が流れるため、１組のパンタグラフでは集電できない場合があるという問題を生じることがある。同じことが、例えば直流６００Ｖ区間と、直流１５００Ｖ区間、直流３０００Ｖ区間の複電圧直通運転、さらには交流２００００Ｖ区間と、交流２５０００Ｖ区間、交流５００００Ｖ区間などの複電圧直通運転でも問題となる。車両を高出力にすればするほど大電流になり、複電圧直通車両が、き電電圧の低い区間を走行する場合にパンタグラフなどの通電容量によっては、前述したような交直流電気車における実施の形態と同様に、き電電圧の高い区間では、１組のパンタグラフのみを使用したとしても、き電電圧の低い区間では２組のパンタグラフを使用する必要が生じるが、本発明によれば、同様な構成で問題を解決することができる。複電圧車両の場合には、交直切換器５は、交流か直流のいずれかに転換した状態のままであり、パンタグラフの上昇／下降と、パンタグラフ断路器の開閉を行えばよい。また、き電電圧の切換については、交流であっても直流であっても、交直切換セクションに相当する無加圧区間が必要であるから、考え方は同一であり、車両の位置検知も含め、交直流電気車の直通運転と同様の構成で実現可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、実際は集電していない進行方向前位側のパンタグラフも上昇させたまま、交流き電区間を走行する場合でも安定した集電を可能とした、交流き電区間と直流き電区間の両方を走行することが可能な交直流電気車の集電回路を提供することができる。
【００４９】
さらに、き電電圧の異なる区間を直通運転することが可能な複電圧電気車において、実際は集電していない進行方向前位側のパンタグラフも上昇させたまま、高い電圧のき電区間を走行する場合でも安定した集電を可能とした、複電圧電気車の集電回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すブロック図。
【図２】本発明の車両の装置間の関係を示すブロック図。
【図３】本発明の交流から直流への直通運転時のフローを示すブロック図。
【図４】本発明の直流から交流への直通運転時のフローを示すブロック図。
【図５】本発明の他の実施の形態を示すブロック図。
【図６】本発明の他の実施の形態を示すブロック図。
【図７】交流き電区間を走行する場合の従来から一般的な切換状態を示すブロック図。
【図８】直流き電区間を走行する場合の従来から一般的な切換状態を示すブロック図。
【図９】２組のパンタグラフを上昇させたまま交流き電区間を走行する場合の従来から一般的な切換状態を示すブロック図。
【図１０】図９の状態でパンタグラフが離線した従来から一般的な状態を示すブロック図。
【図１１】車両の装置間の従来から一般的な関係を示すブロック図。
【図１２】交流から直流への直通運転時の従来から一般的なフローを示すブロック図。
【図１３】直流から交流への直通運転時の従来から一般的なフローを示すブロック図。
【符号の説明】
１　トロリー線
２ａ　パンタグラフ（Ｐａｎ１）
２ｂ　パンタグラフ（Ｐａｎ２）
２ｃ　パンタグラフ（Ｐａｎ３）
３ａ　パンタグラフ断路器（ＤＳ１）
３ｂ　パンタグラフ断路器（ＤＳ２）
３ｃ　パンタグラフ断路器（ＤＳ３）
４　真空遮断器（ＶＣＢ）
５　交直切換器（ＡＤＣｇ）
６　交流用電力変換装置
７　高速度遮断器（ＨＢ）
８　直流用電力変換装置
９　交流電圧検知装置
１０　直流電圧検知装置
１１　車両の進行方向
１２ａ　パンタグラフ操作用電磁弁装置（ＰａｎＶ１）
１２ｂ　パンタグラフ操作用電磁弁装置（ＰａｎＶ２）
１３　制御回路装置
１４　車両情報制御装置
１５ａ　パンタグラフ管１
１５ｂ　パンタグラフ管２
１６　車両位置検知装置
１７　交直切換スイッチ
１８　パンタスイッチ
１９　車両間渡り線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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