JP2001069604A

JP2001069604A - 電気車制御装置およびｄｃ／ｄｃコンバータ

Info

Publication number: JP2001069604A
Application number: JP24462499A
Authority: JP
Inventors: Takao Rokuto; 孝雄六藤
Original assignee: Shizuki Electric Co Inc
Current assignee: Shizuki Electric Co Inc
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】変電所から見た電気車自体の負荷変動を抑制
し、これにより饋電電圧を安定させ電気車の計画走行特
性の発揮を実現することができる電気車制御装置を得る
ことを目的とする。【解決手段】車両の制動時には、ラインスイッチＬｓ
１をオフにし、インバータ７を介して誘導電動機８から
の回生電力を蓄電装置５に供給してこれを充電する。そ
して、車両の力行時には、蓄電装置５に充電された電力
を放電しこの放電電力をインバータ７を介して誘導電動
機８に供給してこれを回転駆動する。蓄電装置５の電圧
が設定値以下に低下するとラインスイッチＬｓ１をオン
にして饋電回路からの電力を誘導電動機８に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電気車において
その供給饋電電圧の変動を抑制することができる電気車
制御装置、およびこれに使用するＤＣ／ＤＣコンバータ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電気車に電力を供給する饋電回路の饋電
電圧は、当該電気車の計画走行特性を発揮させるため、
その電圧変動を許容範囲に収める必要があり、このた
め、従来から各種の電圧降下対策が採用されている。こ
の対策は、直流饋電系統と交流饋電系統とでは異なる
が、基本的には、饋電変電所から電気車のパンタグラフ
までの電圧降下を少なくするため、例えば、饋電線の抵
抗やリアクタンス降下を低減すること、また、変電所間
隔が長い場合には中間に饋電区分所を設け電気車に並列
饋電すること等の方式が採用される。

【０００３】ところで、饋電変電所の負荷になる列車
は、力行、惰行、制動とその運転形態に応じて電力を消
費、また回生し、これに伴って饋電電圧を大きく変動さ
せる。また、この饋電電圧の変動は、列車位置によりそ
の饋電線抵抗やリアクタンスが異なり饋電変電所から遠
方になるほど電圧変動が大きくなる。更に、饋電区間内
に同時に走行する列車の本数や編成車両数によっても負
荷消費電力が大幅に異なる。また、各列車の相互位置と
運転状況により消費電力が同時に重なったり、回生電力
を消費する列車が他に在線しないと饋電電圧は上昇して
回生失弧する等して饋電電圧は大幅に変動する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、電気車
はその運転形態の変化によりそれ自体負荷変動が大きい
という特性を有し、また、列車密度や編成規模に応じて
変電所が電力を供給すべき電気車の数量も大幅に変動す
る。このため、饋電電圧の変動を、従来のように、地上
の饋電回路側における電圧降下対策で補償するとする
と、その要求仕様が時として過大となり、電圧変動補償
が不完全なものとなって電気車の計画走行特性が確保で
きなかったり、対策のための設備費用が膨大になるとい
う問題点があった。

【０００５】この発明は以上のような問題点を解消する
ためになされたもので、変電所から見た電気車自体の負
荷変動を抑制し、これにより饋電電圧を安定させ電気車
の計画走行特性の発揮を実現することができる電気車制
御装置およびこれに使用するＤＣ／ＤＣコンバータを得
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る電気車制
御装置は、集電手段を介して地上の饋電回路と接続され
る両極の給電端子、この給電端子間に接続され車両駆動
用の電動機負荷を有する主回路、および上記電動機負荷
を制御して車両の力行、制動を行う制御手段を備えた電
気車制御装置において、上記主回路にコンデンサからな
る蓄電装置を備え、上記車両の制動時に上記電動機負荷
からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両
の力行時、上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負
荷に供給するようにしたものである。

【０００７】また、この発明に係る電気車制御装置は、
その給電端子間に互いに直列に第１のラインスイッチお
よび蓄電装置を接続し、上記蓄電装置の両極間に電動機
負荷を接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイ
ッチをオフにして上記電動機負荷からの回生電力により
上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記蓄
電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供給し上記蓄
電装置の電圧が所定の設定値より低下すると上記第１の
ラインスイッチをオンにして饋電回路からの電力を上記
電動機負荷に供給するようにしたものである。

【０００８】また、この発明に係る電気車制御装置は、
その蓄電装置と直列に、第２のラインスイッチと限流抵
抗との並列接続体を接続し、給電端子間の電圧Ｖｐが蓄
電装置の電圧Ｖｃより大のときに第１のラインスイッチ
をオンする場合、上記第２のラインスイッチをオフした
状態で上記第１のラインスイッチをオンし、Ｖｐ＝Ｖｃ
となった後上記第２のラインスイッチをオンするように
したものである。

【０００９】また、この発明に係る電気車制御装置は、
その給電端子間に互いに直列に第１のラインスイッチお
よび第３のラインスイッチを接続し、上記第３のライン
スイッチの両極間に、電動機負荷および蓄電装置と上記
電動機負荷の方向へ通流可能なダイオードとの並列接続
体を直列にして接続し、車両の制動時には上記第１のラ
インスイッチをオフ、第３のラインスイッチをオンにし
て上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を
充電し、上記車両の力行時には、上記第１のラインスイ
ッチをオン、第３のラインスイッチをオフにして饋電回
路からの電力に上記蓄電装置からの放電電力を加算して
上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置が電力を放出した
後は上記ダイオードを経て上記饋電回路の電力を上記電
動機負荷に供給するようにしたものである。

【００１０】また、この発明に係る電気車制御装置は、
可逆変換可能なＤＣ／ＤＣコンバータの１次側と第１の
ラインスイッチとを互いに直列にして給電端子間に接続
し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に蓄電装置を接
続し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側に電動機負荷
を接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイッチ
をオフにして上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記電
動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、
上記車両の力行時には、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介
して上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供
給し上記蓄電装置が電力を放出した後は上記第１のライ
ンスイッチをオンにして饋電回路からの電力を上記電動
機負荷に供給するようにしたものである。

【００１１】また、この発明に係る電気車制御装置は、
車両の運転情報や路線情報等の車両情報を入手する手段
を備え、蓄電装置の利用率が増大するよう上記車両情報
に基づきＤＣ／ＤＣコンバータによる上記蓄電装置の充
放電動作を制御するようにしたものである。

【００１２】また、この発明に係る電気車制御装置は、
その電動機負荷と並列にスイッチと放電抵抗との直列接
続体を接続し、車両の制動時において蓄電装置の電圧が
所定の設定値を越えたとき上記スイッチをオンにして上
記電動機負荷からの回生電力を上記放電抵抗に分流させ
るようにしたものである。

【００１３】また、この発明に係る電気車制御装置は、
その車両の制動時において蓄電装置の電圧が所定の設定
値を越えたとき第１のラインスイッチをオンにして電動
機負荷からの回生電力を饋電回路に分流させるようにし
たものである。

【００１４】また、この発明に係る電気車制御装置の電
動機負荷は、直流電力と可変電圧可変周波数の交流電力
との相互変換を行うインバータおよびこのインバータに
接続された交流電動機からなるものである。

【００１５】また、この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバー
タは、直流電源とコンデンサからなる蓄電装置との間で
直流電力を双方向に変換するＤＣ／ＤＣコンバータであ
って、正極側が上記直流電源の正極側に接続された第１
のスイッチング素子、この第１のスイッチング素子と逆
並列に接続された第１のダイオード、正極側が上記第１
のスイッチング素子の負極側に接続され負極側が上記直
流電源の負極側に接続された第２のスイッチング素子、
上記第２のスイッチング素子と逆並列に接続された第２
のダイオード、および上記蓄電装置と直列にして上記第
２のスイッチング素子の両極間に接続されたリアクトル
を備え、上記第２のスイッチング素子をオフとし上記第
１のスイッチング素子をオンオフ制御することにより上
記直流電源から蓄電装置に電力を変換し、上記第１のス
イッチング素子をオフとし上記第２のスイッチング素子
をオンオフ制御することにより上記蓄電装置から直流電
源に電力を変換するものであり、また、この発明に係る
電気車制御装置は、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して
蓄電装置の充放電を行うようにしたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の
実施の形態１における電気車制御装置で、特にその主回
路構成を示す図である。ここでは直流給電方式で説明し
ている。図において、１および２は直流饋電回路を構成
するそれぞれ架線およびレールである帰線、Ｐ、Ｎは集
電手段であるパンタグラフ３およびスリップリング（図
示せず）を介して架線１および帰線２に接続される給電
端子、４は第１のラインスイッチ（Ｌｓ１）、５は大容
量の電気二重層コンデンサからなる蓄電装置、６はアー
ススイッチ（Ｇｓｗ）で、通常閉路されている。７は直
流電力と可変電圧可変周波数の３相交流電力との相互変
換を行うインバータ、８はこのインバータ７の出力によ
り回転駆動される誘導電動機（ＩＭ）である。９および
１０は互いに直列となってインバータ７の直流側端子間
に接続された放電抵抗（Ｒｅ）およびサイリスタスイッ
チ（Ｔｈ）である。

【００１７】図２はインバータ７の内部構成例で、サイ
リスタやＧＴＯ素子（Ｔｈ１〜Ｔｈ６）とダイオード
（Ｄｄ１〜Ｄｄ６）とを逆並列接続して３相インバータ
回路を構成し、力行時には直流電源Ｂｔ（実際は蓄電装
置５または給電端子Ｐ、Ｎ）からの電力をＰＷＭ方式で
ＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）制御して誘導電動機８
に供給し速度制御がなされる。制動時には誘導電動機８
を発電機として動作させその電圧、電流を制御して電源
側へ電力を回生することができる。

【００１８】図３はスイッチング素子に電界効果形トラ
ンジスタ（Ｔｒ１〜Ｔｒ６）を使用してＰＷＭ３相イン
バータ回路を構成したものである。

【００１９】次に動作について説明する。図４は列車の
運転形態に応じたラインスイッチＬｓ１の動作と蓄電装
置５の電圧の変化を示す。なお、説明の便宜上、ここで
は、架線電圧Ｖｐは標準値１５００Ｖ一定と仮定し、こ
の架線電圧Ｖｐが変化することについては、次の実施の
形態の説明で触れることにする。

【００２０】図４において、時間ｔ０までは列車は惰行
状態で、蓄電装置５は架線電圧Ｖｐ＝１５００Ｖに充電
されているものとする。この時間ｔ０で列車が制動状態
に入ると、ここでラインスイッチＬｓ１をオフとし、誘
導電動機８の運動エネルギーをインバータ７で回生し、
その回生電力により蓄電装置５を充電する。この充電量
により蓄電装置５の電圧は１５００Ｖから上昇し、この
上昇分は列車の回生電力量に相当する値に達する（時間
ｔ１）。次にこの時間ｔ１から列車が力行に入ると、蓄
電装置５が直流電源となってインバータ７が交流電力に
変換し誘導電動機８を回転駆動する。

【００２１】蓄電装置５の放電が続き、その電圧が架線
電圧Ｖｐ＝１５００Ｖまで低下すると（時間ｔ２）、そ
れ以上の放電電力は取り出せないので、更に力行を継続
したい場合は、この時間ｔ２でラインスイッチＬｓ１を
オンにする。これにより、誘導電動機８を駆動する電力
は主として架線１から導入されることになるが、蓄電装
置５の内部抵抗と饋電回路の抵抗との比に応じて蓄電装
置５からも一部電流が供給される。なお、この点につい
ては更に後述する。時間ｔ３で惰行状態になった後は、
先の説明と同様の動作を繰り返すことになる。

【００２２】図５は、図４において、ラインスイッチＬ
ｓ１をオンした時間ｔ２以降における等価回路を示すも
ので、以下、この図により、当該時点における地上の饋
電回路側から見た列車負荷変動抑止効果について説明す
る。同図において、饋電変電所は、電圧源Ｅｓ、ダイオ
ードＤｄ、内部抵抗Ｒｓで模擬し、饋電線抵抗はＲｒ、
列車蓄電装置は電圧源Ｅｃと内部抵抗Ｒｃ、列車負荷は
Ｒｔでそれぞれ表現している。そして、饋電回路からの
電流をＩ１、蓄電装置からの電流をＩ２、負荷の電流を
Ｉ３、負荷の印加電圧（架線電圧に相当する）をＶｐと
すると、以下の（１）〜（３）式が成立する。Ｖｐ＝Ｅｓ−（Ｒｓ＋Ｒｒ）・Ｉ１・・・（１）Ｖｐ＝Ｅｃ−Ｒｃ・Ｉ２・・・（２）Ｉ１＋Ｉ２＝Ｉ３・・・（３）

【００２３】以上の３式から電流Ｉ１とＩ３との関係は
（４）式で求められる。Ｉ１＝{Ｒｃ/(Ｒｓ＋Ｒｒ＋Ｒｃ)}・Ｉ３−(Ｅｃ−Ｅｓ)/(Ｒｓ＋Ｒｒ＋Ｒｃ) ・・・（４）（４）式第２項は、蓄電装置の電圧Ｅｃが饋電回路電圧
Ｅｓより高い場合にその電圧差に応じて得られる電流減
量分であるが、この電圧差が零、即ち、Ｅｃ＝Ｅｓの場
合にも、（４）式第１項の係数Ｒｃ／（Ｒｓ＋Ｒｒ＋Ｒ
ｃ）は１より小であるからＩ１＜Ｉ３が成立する。即
ち、蓄電装置による補償がない場合は、Ｉ１＝Ｉ３であ
るから、この蓄電装置の設置により、饋電回路から流入
する電流Ｉ１が減少し、従って、架線電圧Ｖｐの変動が
抑制されることになる。

【００２４】図６は図１の電気車制御装置を適用した場
合の饋電回路の電流を従来と比較して示したタイミング
チャートである。同図（ａ）は従来の場合の電流値、
（ｂ）はこの発明における電流値、（ｃ）は列車の速度
と走行状態を示す。先ず、力行時は、従来は力行のため
のエネルギーがそのまま饋電回路から供給されるので、
同図（ａ）のように電流がその全過程で立ち上がるが、
この発明による（ｂ）では、一点鎖線で示すように、先
ず、充電された蓄電装置５の放電電力により誘導電動機
８が駆動され饋電回路からの電流は流れない。蓄電装置
５の電圧が降下し、架線電圧Ｖｐと同程度になると、ラ
インスイッチＬｓ１をオンにするので、この時点から饋
電回路の電流が立ち上がる。以上のように、列車の回生
電力を蓄電装置５に充電し、再力行時にその蓄電電力を
有効に利用するので、エネルギー効率が増大するととも
に、饋電回路から見た負荷電流も短時間小規模なものに
減少して、電圧変動が抑制されるという効果がある。

【００２５】次に、列車の制動時は、従来（ａ）の場合
は回生電流が饋電回路に流出するのに対し、本発明
（ｂ）では、回生電力は蓄電装置５に吸収され饋電回路
側へは流出しない。従って、一般に歪波である回生電流
が流れて高周波や誘導障害を発生するという不具合が起
こらない。特に、軌道回路を使用する信号設備への障害
が軽減されるという効果がある。また、通常、列車の回
生制動は、その回生電力を有効に消費する、力行状態の
他の列車の存在が前提で動作するものである。そして、
このように、他の列車の存在は確率的なものであり、こ
の点で、饋電回路への回生による制動動作には不安定性
が残る。しかし、この発明では、蓄電装置５を設けて回
生電力を吸収するので、安定した回生制動動作が確実に
得られるという利点がある。

【００２６】なお、以上の説明では、回生時のエネルギ
ーをすべて蓄電装置５の充電エネルギーで吸収するもの
としたが、現実的には、この方式は必ずしも得策でない
場合がある。即ち、蓄電装置５は車両に搭載するもので
あるので、その重量、容積には制約がある。従って、特
殊な路線条件、例えば、長い下り勾配路線で回生制動に
よる抑速運転を続ける場合等を考慮すると、あらゆる運
転条件での回生電力をすべて蓄電装置５で吸収する構成
とすることは必ずしも経済的でない。そこで、図１に示
す放電抵抗ＲｅおよびサイリスタスイッチＴｈを設け、
回生電力による充電が進み蓄電装置５の電圧が、その容
量で定まる所定の設定値を越えたときは、これを検出し
てサイリスタスイッチＴｈをオンして放電抵抗Ｒｅを投
入し、インバータ７からの回生電流をこの放電抵抗Ｒｅ
に分流することにより、蓄電装置５を合理的な容量の範
囲に設定しつつ、かつ回生制動を安定に作用させること
ができる。

【００２７】なお、蓄電装置を車上に設置して電圧補償
を行うこの発明の方式は、地上に設置する従来の方式と
比較すると、例えば、列車の走行密度が低い線区では、
線区の全区間に分散して設ける必要がある地上設置方式
より経済的となる。また、特定の列車のみが回生制御装
置を有している場合や、編成両数が大きく消費電力が大
きい列車等では回生電力の有効利用のため、また饋電線
負荷の軽減のために車上に蓄電装置を設けるこの発明に
よる方式が特に経済性で優れている。

【００２８】実施の形態２．図７はこの発明の実施の形
態２における電気車制御装置の主回路構成を示す図であ
る。ここでは、架線電圧の変動を考慮するとともに、蓄
電装置５を大きな突入電流を発生することなく初期充電
できる対策を採用した回路について説明する。以下、図
７の構成を、図１の回路と異なる点を中心に説明する。
１１および１２は蓄電装置５と直列にして給電端子Ｐ、
Ｎ間に接続された第２のラインスイッチ（Ｌｓ２）およ
び限流抵抗（Ｒｅ１）である。１３、１４および１５
は、それぞれ、給電端子Ｐ、Ｎ間の電圧、従って架線電
圧Ｖｐを検出する電圧検出器（ＤＣＰＴ１）、蓄電装置
５の電圧Ｖｃを検出する電圧検出器（ＤＣＰＴ２）およ
びインバータ７の直流側電圧Ｖｄを検出する電圧検出器
（ＤＣＰＴ３）である。

【００２９】次に、初期充電を含む各ラインスイッチＬ
ｓ１、Ｌｓ２の動作を図８のフローチャートに基づき説
明する。スタートで初期設定としてラインスイッチＬｓ
１、Ｌｓ２を共にオフとする（ステップＳ１）。次に、
電圧検出器ＤＣＰＴ１とＤＣＰＴ２との出力からステッ
プＳ２でＶｃ＜Ｖｐ？を判断し、ＹＥＳであれば蓄電装
置５の初期充電が必要となる。力行または惰行の状態に
あるときに（ステップＳ３でＹＥＳ）、ラインスイッチ
Ｌｓ１をオン、Ｌｓ２をオフにする（ステップＳ４）。
これにより、架線１−パンタグラフＰｔ−ラインスイッ
チＬｓ１−限流抵抗Ｒｅ１−蓄電装置Ｃ−アーススイッ
チＧｓｗ−帰線２のルートが形成され、蓄電装置は架線
電圧Ｖｐに対して限流抵抗Ｒｅ１で電流が制限された状
態で初期充電される。蓄電装置が充電されその電圧Ｖｃ
が上昇し、Ｖｃ＜Ｖｐの条件が成立しなくなれば（ステ
ップＳ２でＮＯ）、ラインスイッチＬｓ１をオフ、Ｌｓ
２をオンにし（ステップＳ５）、限流抵抗Ｒｅ１を短絡
して初期充電を完了し（ステップＳ６）、本来の列車運
転に移行する（ステップＳ７）。なお、ステップＳ３で
ＮＯ（制動）の場合は、ラインスイッチＬｓ１をオフの
ままにとどめる（ステップＳ８）。

【００３０】列車運転に入り、運転状態が制動になれ
ば、ラインスイッチＬｓ１をオフとしてインバータ７か
らの回生電力により蓄電装置が充電される。蓄電装置は
予め架線電圧Ｖｐ（ＤＣ１５００Ｖ程度）に初期充電さ
れているので、回生電力による充電動作により蓄電装置
の電圧Ｖｃは更に上昇する。インバータ７の電圧Ｖｄが
その上限値（ＤＣ１９００Ｖ程度）を越えると、電圧検
出器ＤＣＰＴ３がこれを検知してサイリスタスイッチＴ
ｈをオンさせ放電抵抗Ｒｅ２に分流させることで、電圧
上昇を抑えるとともに安定した回生制動動作が得られ
る。

【００３１】続いて、列車運転が力行状態になれば、蓄
電装置電圧Ｖｃと架線電圧Ｖｐとが比較され、Ｖｃ＞Ｖ
ｐの場合はラインスイッチＬｓ１はオフされ、蓄電装置
の電荷は誘導電動機８の駆動に消費されて蓄電装置電圧
Ｖｃは降下する。この電圧Ｖｃが更に降下してＶｃ＜Ｖ
ｐが成立するとラインスイッチＬｓ１をオンにして架線
電圧からインバータ７へ給電する。

【００３２】以上のように、この実施の形態において
は、蓄電装置の充放電制御のため蓄電装置電圧Ｖｃと比
較すべき対象を架線電圧の標準値１５００Ｖとするので
はなく、列車密度等で常に変動する架線電圧Ｖｐとした
ので、ラインスイッチＬｓ１のオン時の突入電流を抑え
ることができる。また、初期充電時も必要な限流手段を
確実に適用することができる。

【００３３】逆に、上述した比較対象の電圧を、架線電
圧Ｖｐではなく、例えば、ＤＣ１５００ＶまたＤＣ１４
００Ｖとした場合は、ラインスイッチＬｓ１投入時点に
おける架線電圧Ｖｐと蓄電装置電圧Ｖｃとの差電圧に応
じた突入電流が流れることになる。もっとも、ラインス
イッチＬｓ１のオン動作とラインスイッチＬｓ２のオフ
／オン動作を常に連動させることにより、上記突入電流
を低減することができる。

【００３４】実施の形態３．図９はこの発明の実施の形
態３における電気車制御装置の主回路構成を示す図であ
る。ここでは、利用効率の高い蓄電装置の接続構成を採
用している。以下、図１の回路と異なる部分を中心に説
明する。図９において、１６はラインスイッチＬｓ１と
直列にして給電端子Ｐ、Ｎ間に接続された第３のライン
スイッチＬｓ３で、ここでは、蓄電装置（Ｃ）５はこの
ラインスイッチＬｓ１とＬｓ３との接続点とインバータ
７の正極端子との間に直列に接続されている。１７は蓄
電装置５と並列に図示の向きの極性が接続されたダイオ
ード（Ｄｄ）である。

【００３５】次に動作を図１０を参照して説明する。列
車が力行状態に入ると、ラインスイッチＬｓ１をオン、
Ｌｓ３をオフにする。蓄電装置５が後述する制動時の回
生電力で充電されていると、架線電圧Ｖｐにこの蓄電装
置電圧Ｖｃが加算されてインバータ７に供給され誘導電
動機８が駆動される。蓄電装置５の電荷が放出されてし
まうと、ダイオードＤｄが通電し、以降、架線電圧Ｖｐ
がインバータ７に供給される。

【００３６】列車が制動状態に入ると、ラインスイッチ
Ｌｓ１をオフ、Ｌｓ３をオンとしてインバータ７からの
回生電力により蓄電装置５を充電する。この充電動作で
蓄電装置電圧Ｖｃが上昇し、その容量で定まる所定の設
定値を越えるとサイリスタスイッチＴｈをオンして回生
電流を放電抵抗Ｒｅに分流させ電圧上昇を抑えて回生制
動の安定化を図る点は先の形態例と同様である。

【００３７】先の形態例の場合、インバータの制御可能
な電圧上限値を例えば、ＤＣ１９００Ｖとすると、蓄電
装置は最大このＤＣ１９００Ｖまで充電する機能を持た
せたものとするが、その蓄電電力は架線電圧Ｖｐの標準
値ＤＣ１５００Ｖに近い値までの放電電力しか利用でき
ず利用効率が低いという欠点がある。

【００３８】これに対し、実施の形態３の回路構成にお
いては、制動時に例えば、ＤＣ４００Ｖ（インバータの
最大電圧ＤＣ１９００Ｖ−架線標準電圧ＤＣ１５００
Ｖ）まで充電された蓄電装置５の電荷は、力行時、架線
電圧ＤＣ１５００Ｖに加算され、ＤＣ１９００Ｖの直流
電源としてインバータ７に供給され誘導電動機８が駆動
される。そして、力行状態が続くと、やがて、蓄電装置
５の電荷はすべて放出され、以後ダイオードＤｄを経て
架線からの給電が継続される。即ち、蓄電装置５は充電
した電荷を全量利用することができ、利用効率が極めて
高くなるという利点がある。

【００３９】実施の形態４．図１１はこの発明の実施の
形態４における電気車制御装置の主回路構成を示す図で
ある。ここでは、双方向に直流電力を変換可能なＤＣ／
ＤＣコンバータ１８を介して蓄電装置５を接続してい
る。図１２は、列車の運転状態に対する蓄電装置電圧の
変化を示すタイミングチャートである。この場合、ＤＣ
／ＤＣコンバータ１８を適切に制御することにより、蓄
電装置５の充電電圧は架線電圧やインバータの回生電圧
との高低差の制約を受けないので、力行、惰行、制動の
列車運転状態に合わせて充放電動作が自由に制御でき
る。

【００４０】これに伴う利点を列挙すると以下の通りで
ある。（１）蓄電装置に、制動時の回生電力を有効に充電し、
力行時にその充電電力のすべてを放出して駆動エネルギ
ーに利用できるので、列車の消費電力が低減するととも
に、蓄電装置の利用効率が向上する。（２）蓄電装置の電圧定格を自由に設定できるので、一
般にその電圧仕様が低い大容量電気二重層コンデンサの
適用が容易となる。（３）車上に車両の運転情報や路線情報等の車両情報を
入力する手段を備え、この車両情報に基づきＤＣ／ＤＣ
コンバータを制御することにより、例えば、路線の上り
勾配が続く特定の区間で蓄電装置の蓄電電力を有効に利
用するようにしたり、また、下り勾配が続く特定の区間
では、その手前で蓄電装置を完全な放電状態として当該
区間における回生電力を最大限吸収できる条件を確保す
るなど、蓄電装置の利用率の向上を図ることができる。（４）蓄電装置とＤＣ／ＤＣコンバータとの組み合わせ
制御により、架線電圧変動範囲を抑制し、誘導電動機を
制御するインバータの電圧制御範囲を狭くして動作を安
定化させるとともに電力変換効率を上げることができ
る。

【００４１】実施の形態５．ここでは、実施の形態４
（図１１）で使用するＤＣ／ＤＣコンバータの具体的な
回路構成例について説明する。図１３において、Ｔｒ
１、Ｔｒ２はオンオフを繰り返すことができる、ＩＧＢ
Ｔや電界効果形パワートランジスタ等の第１および第２
のスイッチング素子、Ｄｄ１、Ｄｄ２はそれぞれＴｒ
１、Ｔｒ２と各並列に接続されたダイオード、Ｂｔは直
流電源、Ｌ１、Ｃ１は平滑フィルタを構成するリアクト
ル、コンデンサ、Ｃ２は電気二重層コンデンサや大容量
電解コンデンサ等の蓄電装置、Ｌ２はリアクトルであ
る。

【００４２】この内、Ｔｒ１、Ｌ２、Ｃ２、Ｄｄ２はＢ
ｔからＣ２に充電するためのチョッパー回路を形成し、
Ｔｒ２、Ｌ２、Ｃ２、Ｄｄ１はＣ２からＢｔに逆充電す
るためのチョッパー回路を形成している。そして、この
ＤＣ／ＤＣコンバータを先の図１１の回路に適用する場
合は、直流電源Ｂｔの両極が、図１１のラインスイッチ
Ｌｓ１とアーススイッチＧｓｗとの間に位置する関係と
なるよう設置する。

【００４３】次に動作について説明する。電圧の高い電
源Ｂｔから電圧の低い蓄電装置Ｃ２への充電は、Ｔｒ２
がオフの状態でＴｒ１をオンオフして行われる。即ち、
図１４に示すように、Ｔｒ１がオンの期間Ｂｔ−Ｌ１−
Ｔｒ１−Ｌ２−Ｃ２−Ｂｔの回路で電流Ｉｘが流れ電流
が規定の上限値Ｉｕに達すればＴｒ１をオフする。電流
ＩｘはリアクトルＬ２に貯えられたエネルギーでＬ２−
Ｃ２−Ｄｄ２−Ｌ２の回路で減衰し、電流Ｉｘが規定の
下限値Ｉｄになれば、再びＴｒ１をオンする。以上のよ
うに電流ＩｘをＩｕとＩｄの間の電流値に保ちＢｔから
Ｃ２への充電ができる。

【００４４】また逆に、電圧の低い蓄電装置Ｃ２から電
圧の高い電源Ｂｔへの充電は、Ｔｒ１がオフの状態でＴ
ｒ２をオンオフして行われる。即ち、図１５に示すよう
に、Ｔｒ２がオンするとＣ２−Ｌ２−Ｔｒ２−Ｃ２の回
路で充電された電荷が放電され、電流Ｉｘが上昇して規
定の上限値Ｉｕに達すればＴｒ２をオフする。すると、
リアクトルＬ２に貯えられたエネルギーで電圧が上昇し
てＬ２−Ｄｄ１−Ｌ１−Ｂｔ−Ｃ２−Ｌ２の回路で電流
Ｉｘが持続して流れ、これが減衰して規定の下限値Ｉｄ
になれば再びＴｒ２をオンする。このようにしてＣ２か
らＢｔへの逆充電が行われる。

【００４５】即ち、電源Ｂｔと蓄電装置Ｃ２との間での
充放電は、以上で述べたＴｒ１、Ｔｒ２のスイッチング
動作による電流制御により、主回路をスイッチ等で切り
換えることなく直接行うことができる。更に、電源Ｂｔ
の電圧と蓄電装置の電圧を検出し、電源Ｂｔ電圧が所定
の設定値（例えばＤＣ１５００Ｖ）になるまで蓄電装置
Ｃ２から電源Ｂｔに電流を供給すれば、先の図１１の回
路における力行制御電圧をＤＣ１５００Ｖに保つことが
できる。また、蓄電装置Ｃ２の電圧が所定の設定値（例
えばＤＣ６００Ｖ）になるまで電源Ｂｔから蓄電装置Ｃ
２に電流を供給すれば蓄電装置Ｃ２を一定のＤＣ６００
Ｖで充電することができる。以上のように、蓄電装置の
電圧を力行時に都合のよい値に保つこともでき、また、
回生電力を蓄電装置の最大許容電圧まで充電しておくこ
ともできる。

【００４６】実施の形態６．ここでは、この発明に関連
して更に採り得る変形例のいくつかについて簡単に説明
する。（１）上述した各形態例では、列車の制動時、回生電力
を蓄電装置の充電動作で吸収し、その電圧が設定値を越
えたときはサイリスタスイッチをオンして放電抵抗に分
流する方式としたが、この電圧が設定値が越えたとき
は、ラインスイッチＬｓ１をオンにして饋電回路側へ回
生する方式としてもよい。流出する回生電流による高調
波等は例えば高調波フィルタを設置して除去する等の対
策の必要はあるが、放電抵抗が不要となり、またその分
流による電力損失が軽減される利点がある。

【００４７】既述した通り、ＤＣ１５００Ｖを定格とす
るインバータは、通常、直流電圧は最高ＤＣ１９００Ｖ
程度から最低ＤＣ１０００Ｖ程度までの範囲で制御可能
であるので、回生電力を車上のみで処理する場合は、こ
の電圧範囲内で回生制御が可能であるが、上述したよう
に、饋電回路側へ回生する場合は、通常の架線電圧変動
範囲、即ち、饋電変電所の送り出し電圧ＤＣ１６５０Ｖ
（標準＋１０％）から線路端における許容下限電圧ＤＣ
１１２５Ｖ（標準−２５％）までの範囲で制御する必要
がある。

【００４８】（２）また、各形態例では、いずれも直流
饋電方式に適用した場合について説明したが、交流饋電
方式においても、車両に設けたコンバータとインバータ
との間の直流回路に蓄電装置を接続することにより、上
述形態例と同様に適用でき同等の効果を奏する。（３）また、電動機負荷としては、インバータで誘導電
動機を駆動する方式に限られるものではなく、例えば、
チョッパー制御装置により直流電動機を駆動する方式等
であってもよいことは勿論である。（４）更に、図１３で説明したＤＣ／ＤＣコンバータ
は、その双方向変換が簡便円滑になし得るという特性を
活用して、上述した適用例以外の分野に利用することも
できる。

【００４９】

【発明の効果】以上のように、この発明に係る電気車制
御装置は、集電手段を介して地上の饋電回路と接続され
る両極の給電端子、この給電端子間に接続され車両駆動
用の電動機負荷を有する主回路、および上記電動機負荷
を制御して車両の力行、制動を行う制御手段を備えた電
気車制御装置において、上記主回路にコンデンサからな
る蓄電装置を備え、上記車両の制動時に上記電動機負荷
からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両
の力行時、上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負
荷に供給するようにしたので、饋電回路から見た電気車
自体の負荷変動が抑制され、饋電電圧が安定し電気車の
計画走行特性が発揮される。

【００５０】また、この発明に係る電気車制御装置は、
その給電端子間に互いに直列に第１のラインスイッチお
よび蓄電装置を接続し、上記蓄電装置の両極間に電動機
負荷を接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイ
ッチをオフにして上記電動機負荷からの回生電力により
上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記蓄
電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供給し上記蓄
電装置の電圧が所定の設定値より低下すると上記第１の
ラインスイッチをオンにして饋電回路からの電力を上記
電動機負荷に供給するようにしたので、簡単な構成で制
動、力行時の蓄電装置の充放電の動作が確実になされ
る。

【００５１】また、この発明に係る電気車制御装置は、
その蓄電装置と直列に、第２のラインスイッチと限流抵
抗との並列接続体を接続し、給電端子間の電圧Ｖｐが蓄
電装置の電圧Ｖｃより大のときに第１のラインスイッチ
をオンする場合、上記第２のラインスイッチをオフした
状態で上記第１のラインスイッチをオンし、Ｖｐ＝Ｖｃ
となった後上記第２のラインスイッチをオンするように
したので、蓄電装置充電時の突入電流が確実に抑制され
る。

【００５２】また、この発明に係る電気車制御装置は、
その給電端子間に互いに直列に第１のラインスイッチお
よび第３のラインスイッチを接続し、上記第３のライン
スイッチの両極間に、電動機負荷および蓄電装置と上記
電動機負荷の方向へ通流可能なダイオードとの並列接続
体を直列にして接続し、車両の制動時には上記第１のラ
インスイッチをオフ、第３のラインスイッチをオンにし
て上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を
充電し、上記車両の力行時には、上記第１のラインスイ
ッチをオン、第３のラインスイッチをオフにして饋電回
路からの電力に上記蓄電装置からの放電電力を加算して
上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置が電力を放出した
後は上記ダイオードを経て上記饋電回路の電力を上記電
動機負荷に供給するようにしたので、簡単な構成で制
動、力行時の蓄電装置の充放電の動作が確実になされ、
蓄電装置の高い利用効率が達成される。

【００５３】また、この発明に係る電気車制御装置は、
可逆変換可能なＤＣ／ＤＣコンバータの１次側と第１の
ラインスイッチとを互いに直列にして給電端子間に接続
し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に蓄電装置を接
続し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側に電動機負荷
を接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイッチ
をオフにして上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記電
動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、
上記車両の力行時には、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介
して上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供
給し上記蓄電装置が電力を放出した後は上記第１のライ
ンスイッチをオンにして饋電回路からの電力を上記電動
機負荷に供給するようにしたので、饋電電圧や電動機負
荷の電圧との高低差の制約を受けず、充放電の動作が自
由に制御できる。

【００５４】また、この発明に係る電気車制御装置は、
その車両の運転情報や路線情報等の車両情報を入手する
手段を備え、蓄電装置の利用率が増大するよう上記車両
情報に基づきＤＣ／ＤＣコンバータによる上記蓄電装置
の充放電動作を制御するようにしたので、蓄電装置の充
放電動作を、車両運行時の電力節減等に一層有効なもの
とすることができる。

【００５５】また、この発明に係る電気車制御装置は、
その電動機負荷と並列にスイッチと放電抵抗との直列接
続体を接続し、車両の制動時において蓄電装置の電圧が
所定の設定値を越えたとき上記スイッチをオンにして上
記電動機負荷からの回生電力を上記放電抵抗に分流させ
るようにしたので、蓄電装置に支障を及ぼすことなく安
定した回生制動動作が確保される。

【００５６】また、この発明に係る電気車制御装置は、
車両の制動時において蓄電装置の電圧が所定の設定値を
越えたとき第１のラインスイッチをオンにして電動機負
荷からの回生電力を饋電回路に分流させるようにしたの
で、蓄電装置に支障を及ぼすことなく、回生制動動作を
保つことができる。

【００５７】また、この発明に係る電気車制御装置の電
動機負荷は、直流電力と可変電圧可変周波数の交流電力
との相互変換を行うインバータおよびこのインバータに
接続された交流電動機からなるので、車両の制動、力行
による蓄電装置の充放電動作が円滑になされる。

【００５８】また、この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバー
タは、直流電源とコンデンサからなる蓄電装置との間で
直流電力を双方向に変換するＤＣ／ＤＣコンバータであ
って、正極側が上記直流電源の正極側に接続された第１
のスイッチング素子、この第１のスイッチング素子と逆
並列に接続された第１のダイオード、正極側が上記第１
のスイッチング素子の負極側に接続され負極側が上記直
流電源の負極側に接続された第２のスイッチング素子、
上記第２のスイッチング素子と逆並列に接続された第２
のダイオード、および上記蓄電装置と直列にして上記第
２のスイッチング素子の両極間に接続されたリアクトル
を備え、上記第２のスイッチング素子をオフとし上記第
１のスイッチング素子をオンオフ制御することにより上
記直流電源から蓄電装置に電力を変換し、上記第１のス
イッチング素子をオフとし上記第２のスイッチング素子
をオンオフ制御することにより上記蓄電装置から直流電
源に電力を変換するので、直流電源と蓄電装置との間の
電力変換が、双方向に連続してなされる。

【００５９】また、この発明に係る電気車制御装置は、
当該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して蓄電装置の充放電を
行うようにしたので、充放電の切換、電圧の変換が円滑
になされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１における電気車制御
装置の主回路構成を示す図である。

【図２】図１のインバータ７の内部構成例を示す図で
ある。

【図３】図１のインバータ７の内部構成例を示す図で
ある。

【図４】図１の電気車制御装置の動作を説明するため
のタイミングチャートである。

【図５】列車負荷変動抑制効果を説明するための等価
回路図である。

【図６】饋電回路の電流を従来と比較して説明するた
めのタイミングチャートである。

【図７】この発明の実施の形態２における電気車制御
装置の主回路構成を示す図である。

【図８】図７の電気車制御装置の初期充電を含む動作
を説明するためのフローチャートである。

【図９】この発明の実施の形態３における電気車制御
装置の主回路構成を示す図である。

【図１０】図９の電気車制御装置の動作を説明するた
めのタイミングチャートである。

【図１１】この発明の実施の形態４における電気車制
御装置の主回路構成を示す図である。

【図１２】図１１の電気車制御装置の動作を説明する
ためのタイミングチャートである。

【図１３】ＤＣ／ＤＣコンバータの具体的な構成例を
示す図である。

【図１４】図１３のＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説
明するためのタイミングチャートである。

【図１５】図１３のＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説
明するためのタイミングチャートである。

【符号の説明】

１架線、２帰線、Ｐ，Ｑ給電端子、３パンタグ
ラフ、４（Ｌｓ１），１１（Ｌｓ２），１６（Ｌｓ３）
ラインスイッチ、５（Ｃ）蓄電装置、７（ＩＮＶ）
インバータ、８（ＩＭ）誘導電動機、９（Ｒｅ）
放電抵抗、１０（Ｔｈ）サイリスタスイッチ、１２
（Ｒｅ１）限流抵抗、１７（Ｄｄ）ダイオード、１
８ＤＣ／ＤＣコンバータ、Ｔｒ１，Ｔｒ２スイッチ
ング素子、Ｄｄ１，Ｄｄ２ダイオード、Ｂｔ直流電
源、Ｃ２蓄電装置、Ｌ２リアクトル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】集電手段を介して地上の饋電回路と接続
される両極の給電端子、この給電端子間に接続され車両
駆動用の電動機負荷を有する主回路、および上記電動機
負荷を制御して車両の力行、制動を行う制御手段を備え
た電気車制御装置において、上記主回路にコンデンサからなる蓄電装置を備え、上記
車両の制動時に上記電動機負荷からの回生電力により上
記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時、上記蓄電装置
からの放電電力を上記電動機負荷に供給するようにした
ことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】給電端子間に互いに直列に第１のライン
スイッチおよび蓄電装置を接続し、上記蓄電装置の両極
間に電動機負荷を接続し、車両の制動時には上記第１の
ラインスイッチをオフにして上記電動機負荷からの回生
電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時に
は、上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供
給し上記蓄電装置の電圧が所定の設定値より低下すると
上記第１のラインスイッチをオンにして饋電回路からの
電力を上記電動機負荷に供給するようにしたことを特徴
とする請求項１記載の電気車制御装置。
【請求項３】蓄電装置と直列に、第２のラインスイッ
チと限流抵抗との並列接続体を接続し、給電端子間の電
圧Ｖｐが蓄電装置の電圧Ｖｃより大のときに第１のライ
ンスイッチをオンする場合、上記第２のラインスイッチ
をオフした状態で上記第１のラインスイッチをオンし、
Ｖｐ＝Ｖｃとなった後上記第２のラインスイッチをオン
するようにしたことを特徴とする請求項２記載の電気車
制御装置。
【請求項４】給電端子間に互いに直列に第１のライン
スイッチおよび第３のラインスイッチを接続し、上記第
３のラインスイッチの両極間に、電動機負荷および蓄電
装置と上記電動機負荷の方向へ通流可能なダイオードと
の並列接続体を直列にして接続し、車両の制動時には上
記第１のラインスイッチをオフ、第３のラインスイッチ
をオンにして上記電動機負荷からの回生電力により上記
蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記第１の
ラインスイッチをオン、第３のラインスイッチをオフに
して饋電回路からの電力に上記蓄電装置からの放電電力
を加算して上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置が電力
を放出した後は上記ダイオードを経て上記饋電回路の電
力を上記電動機負荷に供給するようにしたことを特徴と
する請求項１記載の電気車制御装置。
【請求項５】可逆変換可能なＤＣ／ＤＣコンバータの
１次側と第１のラインスイッチとを互いに直列にして給
電端子間に接続し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側
に蓄電装置を接続し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの１次
側に電動機負荷を接続し、車両の制動時には上記第１の
ラインスイッチをオフにして上記ＤＣ／ＤＣコンバータ
を介して上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電
装置を充電し、上記車両の力行時には、上記ＤＣ／ＤＣ
コンバータを介して上記蓄電装置からの放電電力を上記
電動機負荷に供給し上記蓄電装置が電力を放出した後は
上記第１のラインスイッチをオンにして饋電回路からの
電力を上記電動機負荷に供給するようにしたことを特徴
とする請求項１記載の電気車制御装置。
【請求項６】車両の運転情報や路線情報等の車両情報
を入手する手段を備え、蓄電装置の利用率が増大するよ
う上記車両情報に基づきＤＣ／ＤＣコンバータによる上
記蓄電装置の充放電動作を制御するようにしたことを特
徴とする請求項５記載の電気車制御装置。
【請求項７】電動機負荷と並列にスイッチと放電抵抗
との直列接続体を接続し、車両の制動時において蓄電装
置の電圧が所定の設定値を越えたとき上記スイッチをオ
ンにして上記電動機負荷からの回生電力を上記放電抵抗
に分流させるようにしたことを特徴とする請求項１ない
し６のいずれかに記載の電気車制御装置。
【請求項８】車両の制動時において蓄電装置の電圧が
所定の設定値を越えたとき第１のラインスイッチをオン
にして電動機負荷からの回生電力を饋電回路に分流させ
るようにしたことを特徴とする請求項１ないし３、５ま
たは６のいずれかに記載の電気車制御装置。
【請求項９】電動機負荷は、直流電力と可変電圧可変
周波数の交流電力との相互変換を行うインバータおよび
このインバータに接続された交流電動機からなることを
特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の電気車
制御装置。
【請求項１０】直流電源とコンデンサからなる蓄電装
置との間で直流電力を双方向に変換するＤＣ／ＤＣコン
バータであって、正極側が上記直流電源の正極側に接続された第１のスイ
ッチング素子、この第１のスイッチング素子と逆並列に
接続された第１のダイオード、正極側が上記第１のスイ
ッチング素子の負極側に接続され負極側が上記直流電源
の負極側に接続された第２のスイッチング素子、上記第
２のスイッチング素子と逆並列に接続された第２のダイ
オード、および上記蓄電装置と直列にして上記第２のス
イッチング素子の両極間に接続されたリアクトルを備
え、上記第２のスイッチング素子をオフとし上記第１のスイ
ッチング素子をオンオフ制御することにより上記直流電
源から蓄電装置に電力を変換し、上記第１のスイッチン
グ素子をオフとし上記第２のスイッチング素子をオンオ
フ制御することにより上記蓄電装置から直流電源に電力
を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１１】直流電源の両極を給電端子の両極とみ
なすことにより、請求項５または６に記載のＤＣ／ＤＣ
コンバータとして請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣコンバ
ータを適用したことを特徴とする電気車制御装置。