ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ СИСТЕМА
ELECTRICAL RAILWAY SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение относится к электрической железнодорожной системе, сконфигурированной так, чтобы включать в себя железнодорожный вагон с электроприводом и устройство подачи электроэнергии, которое подает электрическую энергию железнодорожному вагону с электроприводом.
Предшествующий уровень техники
Как правило, железнодорожный вагон с электроприводом сконфигурирован, чтобы передвигаться, посредством получения электрической энергии от контактной сети с помощью токосъемника и посредством возбуждения электродвигателя с помощью электрической энергии из контактной сети.
В последние годы, поскольку характеристики элементов накопления электрической энергии, таких как аккумуляторная батарея и конденсатор с двойным электрическим слоем, улучшились, усовершенствования систем, которые возбуждают электродвигатель с помощью электрической энергии этих элементов накопления электрической энергии, прогрессировали за счет установки таких элементов накопления электрической энергии в железнодорожный вагон с электроприводом.
В качестве систем таких типов рассматриваются частично свободная от контактной сети система, полностью свободная от контактной сети система и т.п. Согласно частично свободной от контактной сети системе, с точки зрения окружения, контактная сеть удалена из части секции существующего электрифицированного маршрута, или только продолжающая маршрут часть существующего электрифицированного маршрута задана как свободная от контактной сети. Когда железнодорожный вагон с электроприводом движется на участке, имеющем контактную сеть, железнодорожный вагон с электроприводом использует электрическую энергию из контактной сети, а когда железнодорожный вагон с электроприводом движется на участке, свободном от электрической сети, железнодорожный вагон движется с помощью электрической энергии от элементов накопления электрической энергии. Согласно полностью свободной от контактной сети системе контактные сети удаляются со всех маршрутов, и железнодорожный вагон с электроприводом движется с помощью только электрической энергии из элементов накопления электрической энергии. Источник энергии для электрического заряда и контактные сети предусматриваются только на конечных станциях и промежуточных станциях назначения. Электрическая энергия, полученная из этой контактной сети, заряжается в элементах накопления электрической энергии (см., например, патентный документ 1).
Патентный документ 1: Японская выложенная патентная заявка № 2006-238652
Поясняется пример движения железнодорожного вагона с электроприводом в частично свободной от контактной сети системе или в полностью свободной от контактной сети системе, которые пояснены выше. На участке, имеющем контактную сеть, железнодорожный вагон с электроприводом поднимает пантограф в качестве токосъемника и движется как и по обычной электрифицированной железной дороге, получая электрическую энергию из контактной сети как части контактного провода. На участке, не имеющем контактной сети, железнодорожный вагон с электроприводом опускает пантограф и движется с помощью электрической энергии элементов накопления электрической энергии. Чтобы пополнять электрическую энергию, потребляемую на участке, не имеющем контактной сети, железнодорожный вагон с электроприводом поднимает пантограф и быстро заряжает электрическую энергию в элементы накопления электрической энергии из контактной сети, предусмотренной так, чтобы заряжать электрическую энергию, в течение от нескольких десятков секунд до нескольких минут, в то время как железнодорожный вагон с электроприводом останавливается на станции и т.п.
Когда электрическая энергия быстро заряжается в элементы накопления электрической энергии, как описано выше, электрическая энергия, получаемая от пантографа, обычно становится больше, чем электрическая энергия во время обычного движения. Следовательно, поскольку большой ток проводится пантографом, важно сохранять удовлетворительное состояние контакта между пантографом и контактной сетью.
Здесь рассматривается случай, когда нарушение присутствует в состоянии контакта между пантографом и контактной сетью. Например, когда контактное сопротивление между пантографом и контактной сетью увеличивается, температура в части соприкосновения между пантографом и контактной сетью увеличивается, и это приводит к риску плавления этой части.
Когда пантограф отсоединяется от контактной сети под влиянием снегопада или т.п., это приводит к риску формирования электрической дуги между пантографом и контактной сетью и повреждения пантографа и контактной сети при высокой температуре, а также приводит к риску возгорания окружающих устройств. Ввиду этого необходимо быстро обнаруживать нарушение состояния контакта между пантографом и контактной сетью и предпринимать действие, чтобы останавливать электрический заряд.
Краткое изложение существа изобретения
Настоящее изобретение осуществлено, принимая во внимание вышеуказанные проблемы.
Задачей настоящего изобретения является создание электрической железнодорожной системы, подходящей для каждого режима движения на участке, не имеющем контактной сети, электрического заряда элементов накопления электрической энергии, в то время как железнодорожный вагон с электроприводом остановлен, и движения на участке, имеющем контактную сеть, и, в частности, способной стабильно и безопасно выполнять быстрый электрический заряд элементов накопления электрической энергии, пока железнодорожный вагон с электроприводом остановлен.
Чтобы решать вышеупомянутые проблемы и поставленную задачу, электрическая железнодорожная система сконфигурирована так, чтобы включать в себя железнодорожный вагон с электроприводом и устройство подачи электрической энергии, которое подает электрическую энергию железнодорожному вагону с электроприводом. Устройство подачи электрической энергии содержит источник электроэнергии и часть контактного провода, соединенную с источником электрической энергии. Железнодорожный вагон с электроприводом содержит токосъемник, который установлен на крыше железнодорожного вагона с электроприводом, имеет часть соприкосновения с контактным проводом, способную соприкасаться с частью контактного провода, и выполнен с возможностью выполнять операцию подъема и операцию опускания части соприкосновения с контактным проводом на основе инструкции извне, блок переключения, который соединен с токосъемником и выполняет открытие и закрытие главной цепи в качестве маршрута подачи электрической энергии, устройство преобразования электрической энергии, которое соединено с блоком переключения и выполняет преобразование электрической энергии, устройство накопления электрической энергии, которое соединено с устройством преобразования электрической энергии и аккумулирует электрическую энергию, электродвигатель, который приводится в действие устройством преобразования электрической энергии и приводит в движение железнодорожный вагон с электроприводом, и блок управления, который управляет, по меньшей мере, блоком переключения.
Электрическая железнодорожная система согласно настоящему изобретению может обеспечить электрическую железнодорожную систему, подходящую для каждого режима из движения железнодорожного вагона с электроприводом на участке, не имеющем контактной сети, электрического заряда элементов накопления электрической энергии, пока железнодорожный вагон с электроприводом остановлен, и движения железнодорожного вагона с электроприводом на участке, имеющем контактную сеть, и, в частности, способную стабильно и безопасно выполнять быстрый электрический заряд элементов накопления электрической энергии, пока железнодорожный вагон с электроприводом остановлен.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает пример конфигурации электрической железнодорожной системы, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 - пример конфигурации железнодорожного вагона с электроприводом, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 - пример конфигурации устройства преобразования электрической энергии, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4A и 4B - примеры конфигураций пантографа 2A и контактной сети 1A согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5 - пример конфигурации блока управления согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.6 - пример формы волны напряжения пантографа и его дифференциального значения согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.7 - пример формы волны напряжения дросселя согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Варианты осуществления изобретения
Примерные варианты осуществления электрической железнодорожной системы согласно настоящему изобретению будут пояснены ниже подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи. Настоящее изобретение не ограничивается этими вариантами.
Вариант осуществления
На фиг.1 показан пример конфигурации электрической железнодорожной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.1, устройство, установленное на земле, включает в себя рельсы 4, по которым движется железнодорожный вагон 10 с электроприводом, контактную сеть 1A в качестве части контактного провода для быстрого электрического заряда, предоставляемого на станции 50, контактную сеть 1B, предусмотренную на обычном электрифицированном участке, и электрическую подстанцию 70 в качестве источника электроэнергии для железнодорожного вагона 10 с электроприводом, соединенную с контактной сетью 1A и контактной сетью 1B.
Хотя электрическая подстанция 70 показана простым знаком источника напряжения постоянного тока на фиг.1, электрическая подстанция 70, как правило, сконфигурирована, чтобы уменьшать переменный ток высокого напряжения, получаемый из энергетической системы, и подавать напряжение постоянного тока около 600-1500 В, выпрямленное выпрямителем, в контактную сеть 1A или контактную сеть 1B. Контактная сеть 1A и контактная сеть 1B могут быть сконфигурированы, чтобы получать электрическую энергию от отдельных электрических подстанций (не показаны), соответственно.
Контактная сеть 1B используется железнодорожным вагоном 10 с электроприводом, чтобы получать электрическую энергию во время движения. Следовательно, контактная сеть 1B, как правило, сконфигурирована, чтобы поддерживаться над рельсами 4 с помощью несущих опор, удерживающих выполненный из материалов на основе меди контактный провод с помощью подвижных блоков, предусмотренных с постоянными интервалами, чтобы улучшать нижеупомянутые функциональные возможности пантографа. Контактная сеть 1A используется для железнодорожного вагона 10 с электроприводом, чтобы получать электрическую энергию в остановленном состоянии, и большое количество тока течет, сопровождаясь быстрым электрическим зарядом. Следовательно, для контактной сети 1A предпочтительно использовать жесткую контактную сеть на основе листовой меди, имеющей большую площадь поперечного сечения и высокую жесткость.
Железнодорожный вагон 10 с электроприводом оборудован пантографом 2A в качестве токосъемника для быстрого электрического заряда и пантографом 2B в качестве токосъемника для существующего электрифицированного участка. Детали железнодорожного вагона 10 с электроприводом описываются ниже.
Участок A - это обычный электрифицированный участок, и железнодорожный вагон 10 с электроприводом движется на этом участке, одновременно принимая электрическую энергию из контактной сети 1B путем подъема пантографа 2B. Участок B - это участок, свободный от контактной сети, и железнодорожный вагон 10 с электроприводом движется на этом участке, используя электрическую энергию от элементов накопления электрической энергии, установленных в железнодорожном вагоне 10 с электроприводом, опуская и удерживая пантографы 2A и 2B. Участок C - это участок контактной сети с быстрым электрическим зарядом, и железнодорожный вагон 10 с электроприводом заряжает электрическую энергию, соответствующую электрической энергии, израсходованной во время движения на участке B, в элементы накопления электрической энергии, установленные в железнодорожном вагоне 10 с электроприводом. В этом случае, участок C рассматривается как станция и участок исключительно электрического заряда, где железнодорожный вагон 10 с электроприводом остается остановленным и заряжает электрическую энергию, поднимая пантограф 2A.
На фиг.2 показан пример конфигурации железнодорожного вагона 10 с электроприводом согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.3 показан пример конфигурации устройства 12 преобразования электрической энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.2, железнодорожный вагон 10 с электроприводом оборудован пантографом 2A для быстрого электрического заряда и пантографом 2B для получения электрической энергии на существующем электрифицированном участке. Пантографы 2A и 2B сконфигурированы, чтобы иметь возможность выборочно подниматься или опускаться. Хотя оба пантографа электрически соединены друг с другом на фиг.2, пантографы могут быть сконфигурированы так, что их соединение переключается по необходимости вместо постоянного соединения.
Пантограф 2A снабжен датчиком 6 температуры, который измеряет температуру части 60 соприкосновения с контактным проводом (см. фиг.4, описанный ниже), соприкасающейся с контактной сетью 1A, и датчик 5 состояния, который обнаруживает поднятое/опущенное состояние пантографа 2A. Сигнал TH определения температуры от датчика 6 температуры и сигнал PS определения состояния от датчика 5 состояния вводятся в блок 15 управления, соответственно. Блок 11 переключения, сконфигурированный посредством переключателя или прерывателя, который открывает или закрывает главную цепь в качестве маршрута подачи электрической энергии, соединен с пантографом 2A. Устройство 12 преобразования электрической энергии размещается на последнем каскаде блока 11 переключения.
Как показано на фиг.3, устройство 12 преобразования электрической энергии имеет схему входного фильтра, включающую в себя дроссель 40 и конденсатор 41 и датчик 42 напряжения, который определяет напряжение дросселя 40 и выводит определенное напряжение в блок 15 управления в качестве напряжения DV дросселя. Схема DC/DC-преобразователя и схема инвертора соединяются с последним каскадом схемы входного фильтра. Схема DC/DC-преобразователя и схема инвертера сконфигурированы посредством известной методики, и подробные их пояснения будут опущены. Настоящее изобретение не ограничивается конфигурациями схемы DC/DC-преобразователя и схемы инвертера.
На фиг.2, сторона вывода устройства 12 преобразования электрической энергии соединяется с устройством 13 накопления электрической энергии и электродвигателем 16.
Устройство 13 накопления электрической энергии сконфигурировано, чтобы объединять в себе элементы накопления электрической энергии, такие как аккумуляторные батареи из литий-ионных аккумуляторов и никель-водородных аккумуляторов и конденсаторы с двойным электрическим слоем. Устройство 13 накопления электрической энергии сконфигурировано, чтобы выполнять электрический заряд через устройство 12 преобразования электрической энергии посредством электрической энергии, принимаемой через пантограф 2A или пантограф 2B, подавать накопленную электрическую энергию электродвигателю 16 через устройство 12 преобразования электрической энергии и приводить в движение колеса 3. Настоящее изобретение не ограничено типом элемента аккумуляторной батареи.
Датчик 17 напряжения предусмотрен на последнем каскаде пантографа 2A и сконфигурирован, чтобы вводить определенное напряжение ES пантографа в блок 15 управления.
В блок 15 управления извне вводится инструкция PC поднятия/опускания пантографа и вводится сигнал TH определения температуры, сигнал PS определения состояния и напряжение ES пантографа от пантографа 2A. Определенное значение напряжения DV дросселя вводится в блок 15 управления устройством 12 преобразования электрической энергии. Блок 15 управления выводит сигнал KC включения/выключения блоку 11 переключения, выводит управляющий сигнал GC устройству 12 преобразования электрической энергии и выводит сигнал PD принудительного опускания в пантограф 2A. Управляющий сигнал GC включает в себя инструкции по току, чтобы регулировать ток в схеме DC/DC-преобразователя и схеме инвертера, и соответствующие сигналы включения/выключения. Подробная конфигурация и пример работы блока 15 управления поясняются ниже.
На фиг.4A и 4B показаны примеры конфигурации пантографа 2A и контактной сети 1A согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.4A и 4B, пантограф 2A в качестве токосъемника включает в себя рычажный механизм 62, раму 61, сконфигурированную посредством проводника, часть 60 соприкосновения с контактным проводом, электрически соединенную с рамой 61, датчик 5 состояния и датчик 6 температуры.
Пантограф 2А имеет конфигурацию, аналогичную конфигурации пантографа 2B, кроме различий, описанных ниже.
Работа пантографа 2A поясняется ниже. Когда инструкцией PC поднятия/опускания пантографа, введенной извне, является инструкция поднятия, рычажный механизм 62 поднимает раму 61 с помощью пружины, давления воздуха, моторизованного усилия или т.п., приводит в соприкосновение часть 60 соприкосновения с контактным проводом, предусмотренную в верхней части рамы 61, с контактной сетью 1A и получает электрическую энергию. Когда инструкцией PC поднятия/опускания пантографа, введенной извне, является инструкция опускания, рычажный механизм 62 опускает раму 61 с помощью пружины, давления воздуха, моторизованного усилия или т.п. и разрывает контакт между частью 60 соприкосновения с контактным проводом, предусмотренной в верхней части рамы 61, и контактной сетью 1A.
Сигнал PD принудительного опускания вводится из блока 15 управления. Когда вводится сигнал PD принудительного опускания, рычажный механизм 62 быстро опускает раму 61 с помощью пружины, давления воздуха, моторизованного усилия или т.п. и разрывает контакт между частью 60 соприкосновения с контактным проводом, предусмотренной в верхней части рамы 61, и контактной сетью 1A.
Датчик 5 состояния обнаруживает поднятое/опущенное состояние части 60 соприкосновения с контактным проводом. Например, когда датчик 5 состояния определяет, что часть 60 соприкосновения с контактным проводом достигла контактной сети 1A и соприкоснулась с ней, датчик 5 состояния устанавливает сигнал PS определения состояния во включенное значение (ON). С другой стороны, когда датчик 5 состояния определяет, что контакт между частью 60 соприкосновения с контактным проводом и контактной сетью 1A разорван, датчик 5 состояния устанавливает сигнал PS определения состояния в выключенное значение (OFF). Состояние контакта может определяться посредством обнаружения позиционного соотношения между частью 60 соприкосновения с контактным проводом и контактной сетью 1A или посредством обнаружения контактного давления. На способ этого обнаружения ограничения не накладываются.
Сигнал PS определения состояния может быть сигналом, указывающим фактическую обнаруженную позицию части 60 соприкосновения с контактным проводом. В этом случае, блок 15 управления определяет, достигла ли часть 60 соприкосновения с контактным проводом контактной сети 1A или контакт разорван.
Датчик 6 температуры измеряет температуру части 60 соприкосновения с контактным проводом и устанавливает сигнал TH определения температуры в значение ON, когда температура превышает предварительно установленное значение, например. Датчик 6 температуры устанавливает сигнал TH определения температуры в значение OFF, когда температура части 60 соприкосновения с контактным проводом становится равной или ниже предварительно определенного значения.
Сигнал TH определения температуры может быть сигналом, указывающим фактическую обнаруженную температуру части 60 соприкосновения с контактным проводом. В таком случае, блок 15 управления определяет, действительно ли обнаруженная температура равна или выше, или ниже, чем предварительно определенное значение.
Поясняется разница между пантографом 2A и пантографом 2B. В качестве материала части 60 соприкосновения с контактным проводом, установленной на пантографе 2B, соприкасающейся с контактной сетью, используется углеродный материал, имеющий меньший коэффициент трения с контактной сетью, чем материал из меди. Однако в качестве материала части 60 соприкосновения с контактным проводом, установленной на пантографе 2A, соприкасающейся с контактной сетью, предпочтительно использовать медный сплав или т.п., имеющий высокую электропроводность и высокую температуру плавления.
Также существует разница между рычажными механизмами 62. Рычажный механизм 62, установленный в пантографе 2A, имеет большую подъемную силу части 60 соприкосновения с контактным проводом, чем у рычажного механизма, установленного в пантографе 2B. Рычажный механизм 62, установленный в пантографе 2A, обеспечивает более высокое контактное давление между частью 60 соприкосновения с контактным проводом и контактной сетью 1A, чем у рычажного механизма, установленного в пантографе 2B.
Причины для вышеуказанной конфигурации поясняются ниже. Поскольку пантограф 2B используется в то время, когда железнодорожный вагон с электроприводом движется, как описано выше, следующие моменты предпочтительно принимаются во внимание. Поскольку пантограф 2B получает электрическую энергию посредством скольжения части 60 соприкосновения с контактным проводом по контактной сети 1B во время движения железнодорожного вагона 10 с электроприводом, важно избегать износа контактной сети 1B. Следовательно, предпочтительным становится условие использование углеродного материала, имеющего небольшой коэффициент трения, в части 60 соприкосновения с контактным проводом, соприкасающейся с контактной сетью 1B.
Поскольку углеродный материал имеет большее электрическое сопротивление, чем медь, а также, поскольку потери по току из-за электропроводности выше, количество тепла, формируемого в точке соприкосновения между контактной сетью 1B и частью 60 соприкосновения с контактным проводом, становится большим.
Однако, поскольку железнодорожный вагон 10 с электроприводом получает электрическую энергию во время движения, можно рассчитывать на охлаждение части 60 соприкосновения с контактным проводом за счет сопротивления воздуха. Дополнительно, поскольку позиция формирования тепла всегда смещается по линии движения железнодорожного вагона 10 с электроприводом, позиция формирования тепла не фиксируется в одной и той же позиции, и таким образом проблемы не возникает.
С другой стороны, поскольку пантограф 2A используется в то время, когда железнодорожный вагон с электроприводом остановлен, как описано выше, следующие моменты предпочтительно принимаются во внимание. Поскольку пантограф 2A получает электрическую энергию из контактной сети 1A, в то время как железнодорожный вагон 10 с электроприводом остановлен, контактная сеть 1A не изнашивается.
Однако во время быстрого электрического заряда, поскольку точка соприкосновения между частью 60 соприкосновения с контактным проводом и контактной сетью 1A зафиксирована, формирование тепла в точке соприкосновения должно быть минимизировано, и становится важной минимизация контактного электрического сопротивления. Следовательно, используется медный сплав, имеющий хорошую электропроводность. Становится предпочтительным использование медного сплава, имеющего высокую температуру плавления, чтобы избегать возникновения потерь при плавлении, даже когда температура в точке соприкосновения увеличивается.
Существует риск того, что стабильность электрического контакта в точке соприкосновения теряется под воздействием внешней окружающей среды. В частности, когда снег оседает на верхнем сегменте части 60 соприкосновения с контактным проводом зимой и подъемная сила части 60 соприкосновения с контактным проводом к контактной сети 1A уменьшается из-за веса осевшего снега, а также когда позиция рядом с точкой соприкосновения между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом покрывается пылью и птичьим пометом, существует риск того, что контактное сопротивление в точке соприкосновения становится большим, и количество сформированного тепла увеличивается.
Следовательно, становится предпочтительным условие, когда рычажный механизм 62, установленный в пантографе 2A, имеет подъемную силу части 60 соприкосновения с контактным проводом большую, чем у рычажного механизма, установленного в пантографе 2B. Когда контактное давление между частью 60 соприкосновения с контактным проводом и контактной сетью 1A устанавливается большим, чем у пантографа 2B, электрический контакт между частью 60 соприкосновения с контактным проводом и контактной сетью 1A может быть установлен более надежно.
В пантографе 2B, используемом, когда железнодорожный вагон с электроприводом движется, инородный материал удаляется между частью 60 соприкосновения с контактным проводом и контактной сетью 1B посредством трения вследствие движения железнодорожного вагона с электроприводом, и риск оседания снега не существует. Следовательно, стабильность электрического контакта может быть гарантирована без чрезмерно большого контактного давления между частью 60 соприкосновения с контактным проводом и контактной сетью 1B.
В пантографе 2B, когда подъемная сила рамы 61 устанавливается большой, сила трения с контактной сетью 1B становится большой, и износ от стирания контактной сети 1B увеличивается, а величина подъемной силы, прикладываемой к контактной сети 1B по направлению вверх, увеличивается. Соответственно, это приводит к риску соприкосновения контактной сети 1B с конструкцией (например, мостом над железной дорогой), предусмотренной над контактной сетью 1B. Следовательно, необходимо принимать меры, чтобы увеличивать силу натяжения контактной сети 1B. Следовательно, нежелательно устанавливать слишком большую подъемную силу в части 60 соприкосновения с контактным проводом пантографа 2B.
Контактная сеть 1A поясняется далее. Как показано на фиг.4B, две контактные сети 1A предусмотрены параллельно в направлении движения железнодорожного вагона 10 с электроприводом, и каждая из контактных сетей 1A сконфигурирована, чтобы соприкасаться с частью 60 контактного провода. Число контактных сетей не ограничивается двумя, как показано на фиг.4A и 4B, и их может быть несколько, например больше двух. Множество контактных сетей 1A электрически соединяются друг с другом и принимают подачу напряжения от электрической подстанции 70.
За счет такой конфигурации, когда множество контактных сетей 1A соприкасаются с частью 60 соприкосновения с контактным проводом, даже когда значительно худшее состояние электрического контакта возникает из-за прилипания инородного материала, такого как лист винилового пластика, к одной из контактных сетей 1A, например, оставшиеся из контактных сетей 1A могут соединяться с частью 60 соприкосновения с контактным проводом, и становится возможным стабильное получение энергии.
Предусматривая множество частей 60 соприкосновения с контактным проводом пантографа 2A, количество которых равно или больше двух (на фиг.4A и 4B показаны два проводника, например), контакт с контактной сетью 1A может быть более надежным, и электрическая энергия может получаться стабильным образом.
Посредством использования множества пантографов 2A в железнодорожном вагоне 10 с электроприводом и электрического соединения между множеством пантографов 2A могут также быть получены идентичные результаты. Однако, когда число установленных пантографов увеличивается, вес железнодорожного вагона 10 с электроприводом становится больше, и на крыше необходимо пространство для размещения. Эти недостатки также следует принимать во внимание.
Хотя не показано на фиг.4, контактная сеть 1A может быть сконфигурирована, чтобы иметь возможность немного подниматься вверх подъемной силой пантографа 2A. Только когда пантограф 2A поднимается вверх на постоянную величину, датчик положения (не показан) может обнаруживать это, и электрическая подстанция 70 может прикладывать напряжение к контактной сети 1A. Задавая такую конфигурацию, достигается результат, при котором электрическая энергия может подаваться пантографу 2A, только когда контактное усилие надежно присутствует между частью 60 соприкосновения с контактным проводом и контактной сетью 1A, и энергия может получаться более стабильно.
Конфигурация блока 15 управления поясняется далее. На фиг.5 показан пример конфигурации блока 15 управления согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Как показано на фиг.5, блок 15 управления сконфигурирован, чтобы включать в себя: блок 20 определения отклонения напряжения пантографа от нормы, который вводит напряжение ES пантографа, определяет отклонение напряжения ES пантографа от нормы и выводит результат определения в качестве сигнала ESD определения; блок 21 определения отклонения напряжения дросселя от нормы, который вводит напряжение DV дросселя, определяет отклонение напряжения DV дросселя от нормы и выводит результат определения в качестве сигнала DVD определения; блок 22 определения температуры, который вводит сигнал TH определения температуры части 60 соприкосновения с контактным проводом, определяет отклонение температуры от нормы и выводит результат определения в качестве сигнала THD определения; блок 23 определения поднятия/опускания, который вводит сигнал PS определения состояния, определяет поднятое/опущенное состояние пантографа 2A и выводит результат определения в качестве сигнала PSD определения; блок 24 определения сваривания, который вводит инструкцию PC поднятия/опускания пантографа и сигнал PS определения состояния, определяет состояние приваривания части 60 соприкосновения с контактным проводом пантографа 2A и выводит результат определения в качестве сигнала MDD определения; логическая схема ИЛИ 27, которая получает логическую сумму сигналов ESD, DVD, THD и PSD определения и выводит ER0 в качестве результата логического сложения; логическая схема И 28, которая получает логическое произведение сигнала ST остановки, указывающего, что железнодорожный вагон 10 с электроприводом остановлен, и ER0 и выводит ER1 в качестве результата логического произведения; логическая схема НЕ-И 25, которая получает логическую инверсию сигнала ST остановки и выводит STB в качестве результата логической инверсии; блок 26 управления принудительным опусканием, который выводит основной сигнал PDS принудительного опускания, когда STB находится на включенном (H)-уровне; схему 30 задержки, которая вводит основной сигнал PDS принудительного опускания и задерживает вывод сигнала PD принудительного опускания на предварительно определенное время; логическую схему ИЛИ 29, которая получает логическую сумму выходного сигнала ER1 логической схемы И 28, сигнала MDD определения и основного сигнала PDS принудительного опускания; логическую схему НЕ-И 31, которая логически инвертирует выходной сигнал логической схемы ИЛИ 29 и выводит сигнал ER определения; логическую схему И 32, которая получает логическую сумму сигнала ER определения и основного отдельно формируемого сигнала KC0 включения/выключения и выводит сигнал KC включения/выключения; и логическую схему И 33, которая получает логическую сумму сигнала ER определения и основного отдельно формируемого сигнала GC0 управления и выводит сигнал GC управления.
Поясняется работа блока 15 управления, имеющего вышеописанную конфигурацию. Блок 20 определения отклонения напряжения пантографа от нормы определяет нарушение состояния контакта между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом на основе напряжения ES пантографа в качестве физической величины, указывающей уровень состояния контакта между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом.
На фиг.6 показан пример формы волны напряжения ES пантографа и его дифференциального значения согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.6, когда электрический контакт между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом становится недостаточным, контактное сопротивление изменяется, или возникает электрическая дуга, и напряжение изменяется, как показано прерывистой линией на фиг.6. Блок 20 определения отклонения напряжения пантографа от нормы получает дифференциальное значение (скорость изменения) напряжения ES пантографа и наблюдает за тем, находится ли дифференциальное значение в пределах определенного значения. Когда дифференциальное значение (скорость изменения) напряжения ES пантографа принимает значение, отличное от определенного значения, блок 20 определения отклонения напряжения пантографа от нормы определяет, что электрический контакт между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом недостаточен (нарушен), и устанавливает сигнал ESD определения в значение ON (H-уровень).
В дополнение к выполнению определения нарушения на основе дифференциального значения (скорости изменения) напряжения ES пантографа, блок 20 определения отклонения напряжения пантографа от нормы может быть сконфигурирован, чтобы пропускать напряжение ES пантографа через высокочастотный фильтр, извлекать составляющую изменения напряжения (частотную составляющую), сформированную из-за состояния нарушения контакта, и выполнять определение нарушения на основе этого извлечения.
Блок 21 определения отклонения напряжения дросселя от нормы выполняет определение нарушения состояния контакта между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом на основе напряжения DV дросселя в качестве физической величины, указывающей уровень состояния контакта между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом.
На фиг.7 показан пример формы волны напряжения DV дросселя согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.7, когда электрический контакт между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом становится недостаточным, контактное сопротивление изменяется, или возникает электрическая дуга, и напряжение изменяется, как показано прерывистой линией на фиг.7. Блок 21 определения отклонения напряжения дросселя от нормы наблюдает за тем, находится ли напряжение DV дросселя в пределах определенного значения. Когда напряжения DV дросселя принимает значение, отличное от определенного значения, блок 21 определения отклонения напряжения дросселя от нормы определяет, что электрический контакт между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом недостаточен (нарушен), и устанавливает сигнал DVD определения в значение ON (H-уровень).
Блок 21 определения отклонения напряжения дросселя от нормы может выполнять определение отклонения на основе дифференциального значения (скорости изменения) напряжения DVD дросселя образом, аналогичным процессу посредством блока 20 определения отклонения напряжения пантографа от нормы. Блок 21 определения отклонения напряжения дросселя от нормы может быть также сконфигурирован, чтобы пропускать напряжение DV дросселя через высокочастотный фильтр, извлекать составляющую изменения напряжения (частотную составляющую), сформированную из-за состояния нарушения контакта, и выполнять определение отклонения на основе этого извлечения. Может быть такая конфигурация, что предусмотрен, по меньшей мере, один из блока 20 определения отклонения напряжения пантографа от нормы и блока 21 определения отклонения напряжения дросселя от нормы.
В качестве другой конфигурации, хотя и не показанной на фиг.7, может быть такая конфигурация, что блок преобразования Фурье или т.п. анализирует частоту, включенную в напряжение ES пантографа или напряжение DV дросселя, и сравнивает результат анализа с характеристикой распределения частот, формируемого в состоянии, когда возникает электрическая дуга. На основе результата этого сравнения блок 20 определения отклонения напряжения пантографа от нормы или блок 21 определения отклонения напряжения дросселя от нормы может определять, что электрический контакт между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом недостаточен (нарушен), и устанавливает сигнал ESD определения или сигнал DVD определения в значение ON (H-уровень).
Блок 22 определения температуры устанавливает сигнал THD определения в значение ON (H-уровень), когда сигнал TH определения температуры в качестве физической величины, указывающей уровень состояния контакта, показывает чрезмерную температуру части 60 соприкосновения с контактным проводом.
Блок 23 определения поднятия/опускания устанавливает сигнал PSD определения в значение ON (H-уровень), когда сигнал PS определения состояния в качестве физической величины, указывающей уровень состояния контакта, показывает, что поднятое положение части 60 соприкосновения с контактным проводом находится на уровне или ниже, чем предварительно определенное значение, и не соприкасается с контактной сетью 1A.
Логическая схема ИЛИ 27 получает логическую сумму сигналов ESD, DVD, THD и PSD определения. С такой конфигурацией, когда происходит любое из событий, которое может произойти, когда состояние контакта между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом является ненормальным, логическая схема ИЛИ 27 определяет, что состояние контакта между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом является ненормальным, и выводит сигнал ER0 определения.
Далее, логическая схема И 28 получает логическое произведение сигнала ST остановки, указывающего, что железнодорожный вагон 10 с электроприводом остановлен, и сигнала ER0 определения, и выводит сигнал ER1 определения. В такой конфигурации отделение контактной сети 1B от пантографа 2B во время движения железнодорожного вагона 10 с электроприводом на обычном электрифицированном участке и ненужное обнаружение неисправности из-за изменения напряжения может быть отменено, и функция обнаружения неисправности может быть активирована только, когда железнодорожный вагон 10 с электроприводом остановлен.
Когда сигнал ER1 обнаружения имеет значение ON (H-уровень), состояние электрического контакта между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом определяется как ненормальное. Следовательно, сигнал ER определения выводится через логическую схему ИЛИ 29 и логическую схему НЕ-И 31. Сигнал KC включения/выключения и управляющий сигнал GC принудительно выключаются независимо от основного сигнала KC0 включения/выключения и основного управляющего сигнала GC0, сформированных отдельно. В результате, устройство 12 преобразования электрической энергии останавливается, и ток главной цепи прерывается за счет выключения блока 11 переключения. Эта конфигурация предотвращает протекание тока в пантограф 2A, и расширения диапазона неисправности можно избегать.
После того, как быстрый электрический заряд железнодорожного вагона 10 с электроприводом завершен, например, когда выводится сигнал PS определения состояния, указывающий, что состояние контакта между частью 60 соприкосновения с контактным проводом и контактной сетью 1A продолжается, хотя инструкция PC поднятия/опускания пантографа указывает опускание пантографа, блок 24 определения приваривания определяет, что часть 60 соприкосновения с контактным проводом приварилась к контактной сети 1A, и пантограф 2A не может быть опущен, и устанавливает сигнал MDD определения в значение ON (H-уровень).
Когда сигнал MDD определения устанавливается в значение ON (H-уровень), определяется, что контактная сеть 1A и часть 60 соприкосновения с контактным проводом прилипли друг к другу за счет электрической дуги, сформированной между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом. Сигнал ER определения выводится через логическую схему ИЛИ 29 и логическую схему НЕ-И 31. Сигнал KC включения/выключения и управляющий сигнал GC принудительно устанавливаются в значение OFF независимо от основного сигнала KC0 включения/выключения и основного управляющего сигнала GC0, сформированных отдельно. В результате, запуск устройства 12 преобразования электрической энергии (в частности, схемы инвертера) запрещается, протекание тока к электродвигателю 16 запрещается, и блок 11 переключения выключается, чтобы прерывать ток главной цепи. С такой конфигурацией можно избежать отправления железнодорожного вагона 10 с электроприводом в состоянии, когда пантограф 2A прилип к контактной сети 1A, можно избежать повреждения пантографа 2A и можно избежать расширения повреждений. Движение железнодорожного вагона 10 с электроприводом, даже когда протекание тока к электродвигателю 16 запрещается, и даже когда главная цепь отсоединяется посредством выключения блока 11 переключения, нежелательно. Следовательно, предпочтительно принимать меры, чтобы запрещать движение железнодорожного вагона с электроприводом.
Далее, блок 26 управления принудительным опусканием устанавливает основной сигнал PDS принудительного опускания в значение ON (H-уровень), когда железнодорожный вагон 10 с электроприводом движется из-за ослабленного тормоза железнодорожного вагона 10 с электроприводом или посредством преднамеренного действия во время быстрого электрического заряда железнодорожного вагона 10 с электроприводом посредством поднятия пантографа 2A. Соответственно, сигнал ER определения выводится через логическую схему ИЛИ 29 и логическую схему НЕ-И 31. Сигнал KC включения/выключения и управляющий сигнал GC принудительно устанавливаются в значение OFF независимо от основного сигнала KC0 включения/выключения и основного управляющего сигнала GC0, сформированных отдельно. В результате, устройство 12 преобразования электрической энергии выключается, и блок 11 переключения выключается, чтобы прервать ток главной цепи.
Впоследствии, по истечении времени задержки, установленного схемой 30 задержки, выводится сигнал PD принудительного опускания, и пантограф 2A опускается. Время задержки схемы 30 задержки устанавливается на время, требуемое для блока 11 переключения и схемы 12 преобразования электрической энергии, чтобы перейти в выключенное состояние, или устанавливается на более длительное время. С такой структурой пантограф 2A может быть опущен и удерживаться прежде, чем железнодорожный вагон 10 с электроприводом отойдет от участка C. В результате, можно избегать поднятия пантографа 2A в позиции, где контактная сеть 1A отсутствует, и можно избегать поломки пантографа 2A из-за поднятия пантографа, превышающего ограничение поднятия.
Схема 30 задержки обеспечивает время от момента включения основного сигнала PDS принудительного опускания до момента, когда сигнал PD принудительного опускания устанавливается в значение ON, и опускание пантографа 2A начинается после того, как ток главной цепи устанавливается в ноль посредством остановки устройства 12 преобразования электрической энергии и блока 11 переключения. Следовательно, ток не прерывается из-за отсоединения части 60 соприкосновения с контактным проводом пантографа 2A от контактной сети 1A, и потерь при плавлении из-за возникновения электрической дуги между пантографом 2A и контактной сетью 1A можно избежать.
В дополнение к предоставлению схемы 30 задержки, аналогичный эффект также может быть получен конфигурированием схемы блокировки так, что сигнал PD принудительного опускания устанавливается в значение ON после того, как выключение блока 11 переключения и устройства 12 преобразования электрической энергии подтверждается приемом сигнала обратной связи (не показан), указывающего включенное/выключенное состояние, от блока 11 переключения и устройства 12 преобразования электрической энергии.
В качестве способа обнаружения нарушения электрического контакта между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом, он может быть сконфигурирован так, что температура части 60 соприкосновения с контактным проводом опосредованно обнаруживается термометром (не показан) или т.п., и сигнал THD определения устанавливается в значение ON (H-уровень) на основе этого обнаружения. Альтернативно, он может быть сконфигурирован так, что оптический датчик (не показан) обнаруживает луч электрической дуги, сформированной между контактной сетью 1A и частью 60 соприкосновения с контактным проводом. Когда обнаруженное значение равно или больше, чем предварительно определенное значение, температура части 60 соприкосновения с контактным проводом определяется как высокая, и сигнал THD определения устанавливается в значение ON (H-уровень).
Согласно конфигурации, поясненной в настоящем варианте осуществления, пантограф 2A, используемый во время быстрого электрического заряда, в то время как железнодорожный вагон с электроприводом остановлен, и пантограф 2B, используемый, чтобы получать электрическую энергию из контактной сети во время движения железнодорожного вагона с электроприводом, установлены в железнодорожном вагоне 10 с электроприводом. Альтернативно, отдельный пантограф, имеющий как характеристики пантографа 2A, так и пантографа 2B, может совместно использоваться. Разумеется, конфигурация, описанная в настоящем варианте осуществления, может быть применена также и в этом случае.
Когда ток быстрого электрического заряда небольшой, пантограф 2B может быть использован вместо пантографа 2A. Разумеется, конфигурация, описанная в настоящем варианте осуществления, может быть применена также и в этом случае.
С вышеуказанной конфигурацией возможно предоставлять электрическую железнодорожную систему, подходящую для каждого режима из движения железнодорожного вагона с электроприводом на участке, не имеющем контактной сети, электрического заряда элементов накопления электрической энергии, в то время как железнодорожный вагон с электроприводом остановлен, и движения железнодорожного вагона с электроприводом на участке, имеющем контактную сеть, и, в частности, способную стабильно и безопасно выполнять быстрый электрический заряд элементов накопления электрической энергии, пока железнодорожный вагон с электроприводом остановлен.
Конфигурация, описанная в вышеприведенном варианте осуществления, является только примером содержимого настоящего изобретения. Конфигурация может быть объединена с другими хорошо известными способами и может быть модифицирована, как, например, пропуском ее части, без отступления от рамок настоящего изобретения.
Промышленная применимость
Как описано выше, электрическая железнодорожная система согласно настоящему изобретению полезна в качестве изобретения, в котором быстрый электрический заряд элементов накопления электрической энергии может устойчиво и безопасно выполняться, в то время как железнодорожный вагон с электроприводом остановлен.
Пояснения к буквенным или числовым ссылкам
1A, 1B Контактная сеть
2A, 2B Пантограф
3 Колесо
4 Рельсы
5 Датчик состояния
6 Датчик температуры
10 Железнодорожный вагон с электроприводом
11 Блок переключения
12 Устройство преобразования электрической энергии
13 Устройство накопления электрической энергии
15 Блок управления
16 Электродвигатель
17 Датчик напряжения
20 Блок определения отклонения напряжения пантографа от нормы
21 Блок определения отклонения напряжения дросселя от нормы
22 Блок определения температуры
23 Блок определения поднятия/опускания
24 Блок определения приваривания
25 Логическая схема НЕ-И (NAND)
26 Блок управления принудительным опусканием
27 Логическая схема ИЛИ (OR)
28 Логическая схема И (AND)
29 Логическая схема ИЛИ
30 Схема задержки
31 Логическая схема НЕ-И
32, 33 Логическая схема И
40 Дроссель
41 Конденсатор
42 Датчик напряжения
50 Станция
60 Часть соприкосновения с контактным проводом
61 Рама
62 Рычажный механизм
70 Источник электроэнергии.