JP2003018702A - 電気車の駆動システム - Google Patents
電気車の駆動システムInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 き電線・架線の電圧の安定化及び損失の低減
を実現するとともに、設備費の低減も図り得る電気車の
駆動システムを提供する。 【解決手段】 架線１から供給される直流電力をモータ
駆動変換器３で変換してモータ４を駆動し、この駆動力
で電気車を走行させる一方、上記架線１に対してモータ
駆動変換器３に並列に大容量蓄電装置５を接続し、電気
車Ｉの力行時の電力は、主に大容量蓄電装置５から供給
する一方、回生制動時の回生電力は前記大電流蓄電装置
５に蓄えることによって、電気車Ｉに架線１から供給す
る電力量及び電気車Ｉが架線１に回生する電力量を低減
するものである。
を実現するとともに、設備費の低減も図り得る電気車の
駆動システムを提供する。 【解決手段】 架線１から供給される直流電力をモータ
駆動変換器３で変換してモータ４を駆動し、この駆動力
で電気車を走行させる一方、上記架線１に対してモータ
駆動変換器３に並列に大容量蓄電装置５を接続し、電気
車Ｉの力行時の電力は、主に大容量蓄電装置５から供給
する一方、回生制動時の回生電力は前記大電流蓄電装置
５に蓄えることによって、電気車Ｉに架線１から供給す
る電力量及び電気車Ｉが架線１に回生する電力量を低減
するものである。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電気車の駆動システ
ムに関する。さらに詳言すると、電気車に電力貯蔵シス
テムを搭載してモータの駆動電力の供給及び回生電力の
吸収を行い得るようにしたものである。 【０００２】 【従来の技術】直流電気鉄道において、電気車への電力
の供給は、一般に次のような経路で行われている。すな
わち、電気車の加速時・登坂時などの力行時には、き電
変電所からき電線・架線を経由して電気車に電力が供給
され、回生制動時には電気車から架線・き電線を介して
別の力行中の電気車に電力が供給される。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】上述の如き従来技術に
おいては、電気車が回生制動をかける際に他に力行中の
車両が存在しないと回生電力の行き場がなくなるため、
回生を行うことができなくなる。すなわち、回生失効と
いう問題を生起する。また、直流電気鉄道ではき電線・
架線の電流が大きいため、き電線・架線での電圧降下が
大きくき電変電所から遠い地点では電圧を定格値に保つ
ことが難しい。このため、き電変電所の間隔をあまり大
きくすることができず、設備投資額が高騰する。さら
に、き電線・架線の抵抗成分による損失が大きく、エネ
ルギー的に無駄が多い。 【０００４】本発明は、上記従来技術に鑑み、き電線・
架線の電圧の安定化及び損失の低減を実現するととも
に、設備費の低減も図り得る電気車の駆動システムを提
供することを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の構成は、次の点を特徴とする。 【０００６】１） 架線から供給される直流電力をモー
タ駆動変換器で変換して駆動源であるモータを駆動する
ことにより走行する電気車の駆動システムにおいて、上
記架線に対してモータ駆動変換器に並列に大容量蓄電装
置を接続し、当該電気車の力行時には大容量蓄電装置か
らモータ駆動変換器に電力を供給するとともに、回生時
にはモータ駆動変換器から大容量蓄電装置に電力を供給
してこの大容量蓄電装置に蓄電するように構成したこ
と。 【０００７】２） 上記１）に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、大容量蓄電装置は、ＤＣ／ＤＣ変換器
と、このＤＣ／ＤＣ変換器の制御装置と、大容量二次電
池又は大容量コンデンサとで構成したこと。 【０００８】３） 上記２）に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、ＤＣ／ＤＣ変換器は、双方向チョッ
パ、フィルタ及び逆転防止スイッチで構成するととも
に、前記双方向チョッパは、２個の自己消弧形スイッチ
ンング素子を交互にＯＮ，ＯＦＦさせることで、フィル
タ側と、大容量二次電池又は大容量コンデンサ側との双
方向に電流を流すことが可能であり、その電流は自己消
弧形素子のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率を調整すること
で制御可能なものとし、フィルタは、双方向チョッパへ
流れ込む補償電流を平滑化するものであり、逆転防止ス
イッチは、架線の電圧が大容量二次電池又は大容量コン
デンサの電圧よりも小さくなった場合にＯＦＦ状態とな
り、双方向チョッパと架線との接続状態を遮断するもの
としたこと。 【０００９】４） 上記３）に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、フィルタは、モータ駆動変換器の架線
側に設けるフィルタと共用したこと。 【００１０】５） 上記２）乃至４）の何れか一つに記
載する電気車の駆動システムにおいて、ＤＣ／ＤＣ変換
器の制御装置は、モータ駆動変換器への入力電流と当該
ＤＣ／ＤＣ変換器への補償電流とを検出し、前記入力電
流を電流指令値として補償電流との偏差が小さくなるよ
うにＤＣ／ＤＣ変換器を制御するものであること。 【００１１】６） 上記５）に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、制御装置は、補償電流ＩC を制御する
ための制御ループ及び大容量二次電池又は大容量コンデ
ンサへの充放電電流ＩB を制御するための制御ループを
有し、入力電流ＩL を電流指令値Ｉ* C とし、これと補
償電流ＩC との偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所
定のリミッタを通した上で、次段の充放電電流ＩB の制
御ループの電流指令値Ｉ* B とし、さらに前記電流指令
値Ｉ* B と充放電電流ＩB の検出値との偏差をＰＩ制御
器に入力するとともに所定のリミッタを通した上で変調
率指令値ｍ* とし、次に、変調率指令値ｍ* を基に、変
調率指令値ｍ* とキャリア信号とを比較器に入力し、そ
の出力信号をスイッチング信号とし、このスインチング
信号に基づきゲート信号を形成してＤＣ／ＤＣ変換器の
スイッチング素子のスイッチングタイミングを制御する
ようにしたこと。 【００１２】７） 上記２）乃至４）の何れか一つに記
載する電気車の駆動システムにおいて、ＤＣ／ＤＣ変換
器の制御装置は、架線への架線電流を検出し、零とする
電流指令値と前記架線電流との偏差が小さくなるように
ＤＣ／ＤＣ変換器を制御するものであること。 【００１３】８） 上記７）に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、制御装置は、架線電流ＩB を制御する
ための制御ループ及び大容量二次電池又は大容量コンデ
ンサへの充放電電流ＩB を制御するための制御ループを
有し、電流値零を電流指令値Ｉ* B とし、これと架線電
流ＩB との偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所定の
リミッタを通した上で、次段の充放電電流ＩB の制御ル
ープの電流指令値Ｉ* B とし、さらに前記電流指令値Ｉ*
B と充放電電流ＩB の検出値との偏差をＰＩ制御器に入
力するとともに所定のリミッタを通した上で変調率指令
値ｍ* とし、次に、変調率指令値ｍ* を基に、変調率指
令値ｍ* とキャリア信号とを比較器に入力し、その出力
信号をスイッチング信号とし、このスインチング信号に
基づきゲート信号を形成してＤＣ／ＤＣ変換器のスイッ
チング素子のスイッチングタイミングを制御するように
したこと。 【００１４】９） 上記１）乃至８）に記載する何れか
一つの電気車の駆動システムにおいて、電気車の運転ダ
イヤや速度・位置に基づき大容量蓄電装置の充放電のパ
ターン及びリミッタの制御を行うこと。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に
基づき詳細に説明する。 【００１６】本発明は電気鉄道の電気車に大容量蓄電装
置を設け、力行時の電力は、主にこの大容量蓄電装置か
ら供給する一方、回生制動時の回生電力は前記大電流蓄
電装置に蓄えることによって、電気車に架線から供給す
る電力量及び電気車が架線に回生する電力量を低減する
ものである。 【００１７】図１は本発明の実施の形態に係る電気車の
駆動システムを電気車に搭載した状態で示す全体のブロ
ック線図である。同図に示すように、当該電気車Ｉは、
架線１からパンタグラフ２を介して供給される直流電力
をモータ駆動変換器３で交流又は他の電圧の直流に変換
し、変換後の交流又は直流電力により駆動源であるモー
タ４を駆動するようになっている。かかる構成は従来技
術と同様である。 【００１８】本形態では、上記架線１に対してモータ駆
動変換器３に並列に大容量蓄電装置５を接続している。
かくして、電気車Ｉが力行する際には大容量蓄電装置５
からモータ駆動変換器３にエネルギーを供給し、回生時
には逆にモータ駆動変換器３から大容量蓄電装置５へエ
ネルギーを供給する。また、大容量蓄電装置５の容量や
電流定格の制限から、力行時にモータ駆動変換器３が必
要とする電流に対して大容量蓄電装置５だけでは不足す
る場合は、不足分を架線１から供給する一方、回生時に
モータ駆動変換器３が発生した回生電流を大容量蓄電装
置５だけでは回収できない場合には、その余剰分を架線
１に回生するものとする。 【００１９】以上の構成により、十分な容量の大容量蓄
電装置５を用いれば、架線１を流れる電流を従来と比較
して大幅に小さくすることができる。これにより、架線
電圧が定格電圧から大きく変動する現象を抑制すること
が可能となる。同時に、架線１での損失が小さくなるた
め、従来に比べて省エネルギーとなる鉄道システムを構
築可能となる。また、架線１へ回生される電力が大幅に
小さくなるので、回生失効が起こりにくくなる。さら
に、路線を走る全ての電気車Ｉに本形態の電気車の駆動
システムを搭載することで、き電線に従来のような大電
流が流れることがなくなるので、き電線を細くしたりき
電線長を長くする（変電所間隔を広げる）ことが可能と
なる。これにより、電気鉄道の地上設備の大幅なコスト
ダウンが可能となる。 【００２０】図２は図１の大容量蓄電装置の構成をさら
に詳細に示すブロック線図である。同図に示すによう
に、当該大容量蓄電装置５は、ＤＣ／ＤＣ変換器６、大
容量二次電池（または大容量コンデンサ）７及び制御装
置８で構成する。ここで、図２に示すように架線１を流
れる架線電流をＩS 、モータ駆４変換器３の入力電流を
ＩL 、大容量蓄電装置５からの補償電流をＩC 、大容量
二次電池７の充放電電流をＩB とする。ＤＣ／ＤＣ変換
器６は大容量二次電池７からの充放電電流ＩB の制御の
ために必要であり、双方向に電流を流すことができる変
換器である必要がある。制御装置８は電流検出器９、１
０で検出した入力電流ＩL 及び補償電流Ｉ C を表す信号
を入力とし、ＤＣ／ＤＣ変換器６の各素子のゲート信号
を出力とする。制御装置８では架線電流ＩS の絶対値を
小さくするように補償電流ＩC の制御を行うものとす
る。 【００２１】かかる大容量蓄電装置５の具体的な主回路
構成の一例を図３に示す。同図では制御装置８を省略し
て示してある。この制御装置８については後述する。ま
た、同図においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴ
のシンボルを用いているが、ＩＧＢＴに限らず自己消弧
形素子であれば置換可能である。 【００２２】図３に示すように、大容量蓄電装置５は、
逆流防止スイッチ１１、ＬＣフィルタ１２及び双方向チ
ョッパ１３からなるＤＣ／ＤＣ変換器６と、大容量二次
電池７とを有している。双方向チョッパ１３は自己消弧
形素子と逆並列ダイオードを組み合わせたもの２組と平
滑リアクトルで構成される。この双方向チョッパ１３は
２個の自己消弧形素子を交互にＯＮ，ＯＦＦさせること
で、ＬＣフィルタ１２側の電圧が大容量二次電池７側の
電圧よりも高い場合に、双方向に電流を流すことが可能
であり、その電流は自己消弧形素子のＯＮ時間とＯＦＦ
時間の比率を調整することで制御可能である。双方向チ
ョッパ１３のＬＣフィルタ１２側の電流は双方向チョッ
パ１３のスイッチングによってパルス状の波形となって
おり、これをそのまま架線・き電線に流した場合には様
々な悪影響を及ぼす虞がある。このため、ＬＣフィルタ
１２で前記電流の高周波成分を取り除いている。 【００２３】双方向チョッパ１３の動作を図４を用いて
説明する。リアクトルＬC の両端にかかる電圧ＶLcはス
イッチの状態に応じて図４のようになる。すなわち、ス
イッチＳ2 又はダイオードＤ2 が導通状態にあるとき、
電圧ＶLcは大容量二次電池７の電圧ＶB に等しくなり、
スイッチＳ1 又はダイオードＤ1 が導通状態にあるとき
は電圧ＶB は電圧ＶCFに等しくなる。スイッチＳ2 又は
ダイオードＤ2 が導通状態にあるときは電圧ＶLcは正と
なるためリアクトルＬC の電流ＩLcは増加し、逆にスイ
ッチＳ1 又はダイオードＤ1 が導通状態にあるときは電
圧ＶLcは負となるためリアクトルＬC の電流ＩLcは減少
する。ここで、後述する理由により大容量二次電池７の
電圧ＶB はフィルタコンデンサの電圧ＶCFよりも小さく
なるように動作点を設定してあるので、スイッチＳ1 又
はダイオードＤ1 が導通状態にあるときはＶLc＝ＶB −
ＶCFは負となる。このため、電流ＩLcはスイッチＳ
1 （又はスイッチＳ2 ）のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率
を調整しながらスイッチＳ1 、Ｓ2 を交互にＯＮ，ＯＦ
Ｆさせることで制御可能である。電流ＩF は、図４に示
すようにスイッチＳ1 又はダイオードＤ1 が導通状態の
時は電流ＩB に等しく、それ以外の時には０となる。こ
れをＬＣフィルタ１２で平滑化した電流が補償電流ＩC
となる。 【００２４】図４は大容量二次電池７から放電する場合
（ＩB が正の場合）について示したものであるが、電流
ＩB が逆方向に流れる場合も電流の符号が変わるだけで
同様の動作となる。 【００２５】図４に示す回路の双方向チョッパ１３が正
常に動作するためには、双方向チョッパ１３のＬＣフィ
ルタ１２側の電圧ＶCFが大容量二次電池７側の電圧ＶB
よりも大きい必要がある。さもないとスイッチＳ1 ，Ｓ
2 の状態に関係なくリアクトルＬC の電圧ＶLcが常に正
となってしまい、充放電電流ＩB が増加し続けてしまう
ために充放電電流ＩB を制御することができなくなって
しまう。かかる現象を回避するために逆流防止スイッチ
１１を設けている。逆流防止スイッチ１１の自己消弧形
素子は通常ＯＮ状態で用いるが、架線１の電圧が大容量
二次電池７の電圧よりも小さくなった場合にＯＦＦに
し、大容量二次電池７から架線１に大電流が流れるのを
防止している。 【００２６】ところで、モータ駆動用変換器３にはモー
タ４の種類によってＤＣ／ＤＣ変換器やＤＣ／ＡＣ変換
器といった半導体電力変換器を用いるのが普通である。
このため、前記大容量蓄電装置５と同様に、当該モータ
駆動変換器３から架線１側に高い周波数成分を含む電流
を流出させないために、モータ駆動変換器３にもＬＣフ
ィルタを設けるのが普通である。このＬＣフィルタと大
容量蓄電装置５のＬＣフィルタを共用とし、図５のよう
な構成とすることも可能である。なお、図５中、図４と
同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略す
る。 【００２７】図６は、図２の大容量蓄電装置５における
制御装置８のさらに具体的な構成例を示すブロック線図
である。同図に示すように、制御装置８では、電流検出
器９で検出したモータ駆動変換器３への入力電流Ｉ
L を、大容量蓄電装置５の電流指令値Ｉ* C とし、これ
に電流検出器１０で検出する補償電流ＩC が一致するよ
うにフィードバック制御を行う。 【００２８】ここで、入力電流ＩL 及び補償電流ＩC が
パルス状電流の場合など、高周波成分を多く含む場合に
は、図７に示すように、電流検出器９、１０の出力信号
である電流検出値を必要に応じてローパスフィルタ１
４、１５に通した後、これを処理するようにしても良
い。 【００２９】大容量二次電池７の容量や定格電流の制限
等によって大容量蓄電装置５の電流ＩC を指令値Ｉ* C
と一致させることができないことがある。この場合に
は、リミッタ１６（図６及び図７参照。）を作動させ、
各部の定格電流・動作範囲を超えないように制御する。
リミッタ１６の作動によって指令値通りの電流が得られ
ない場合、不足分は架線１に流れることになる。 【００３０】制御装置８のより具体的な構成例を図８に
示す。同図に示す制御装置８は、図３又は図５に示す主
回路に適用するためのものである。まず、同図の電流制
御部分について説明する。電流制御部分は、ＩC ，
ＩL ，ＩB の各検出値を入力とし、ゲート信号Ｇ1 ，Ｇ
2 を出力とする。図では省略してあるが、電流検出値に
高周波成分が多く含まれるときは必要に応じて電流検出
値をローパスフィルタを通すフィルタ処理を行う。電流
制御部分は、大容量二次電池７の充放電電流ＩB を制御
するためのフィードバックループと大容量蓄電装置５の
入力電流ＩC を制御するためのフィードバックループ及
びゲート信号生成部から構成される。 【００３１】補償電流ＩC を制御するためのフィードバ
ックループでは、入力電流ＩL を指令値Ｉ* C （補償電
流ＩC の指令値）とし、これと補償電流ＩC との偏差を
ＰＩ制御器１７に入力する。ＰＩ制御器１７の出力はリ
ミッタ１８を通した上で次段の電流ＩB の制御ループの
電流指令値Ｉ* B とする。リミッタ１８では大容量二次
電池７の電流定格を超えないように電流指令値Ｉ* B を
一定範囲内に制限するようリミッタをかける。また、電
圧ＶB に基づき大容量二次電池７の充電状態を判断し、
それ以上の放電が不可能な場合には電流指令値Ｉ* B ≦
０となるように、またそれ以上充電できないときには電
流指令値Ｉ* B ≧０となるようにリミッタを制御する。 【００３２】次段の電流ＩB を制御するループでは、前
段で求めた電流指令値Ｉ* B と電流検出値ＩB との偏差
をＰＩ制御器１９に入力し、その出力をリミッタ２０に
通した上で変調率指令値ｍ* とする。変調率ｍはスイッ
チＳ1 のＯＮ時間ｔ1 とスイッチＳ2 のＯＮ時間ｔ2 を
用いて次式のように定義する。 【数１】 【００３３】リミッタ２０では変調率指令値ｍ* の上限
値・下限値を制御する。上式より０≦ｍ≦１であるが、
通常は細すぎるＯＮパルスやＯＦＦパルスを発生しない
ようにリミッタ範囲をこれより狭くするのが一般的であ
る。 【００３４】次に、変調率指令値ｍ* を基にスイッチン
グ信号を生成する。具体的には変調率指令値ｍ* とキャ
リア信号発生部２２が発生するキャリア信号とを比較器
２２に入力し、その出力信号をスイッチング信号とす
る。キャリア信号としては、図９に示すような三角波を
用いる。この場合、キャリア三角波の周波数がスイッチ
ング周波数となる。 【００３５】上述の処理により発生したスイッチング信
号Ｇ′1 ，Ｇ′2 に対して、デッドタイム処理部２３で
ターンオンのタイミングを微小時間だけ遅らせる処理を
施したものをスイッチング素子のゲート信号Ｇ1 ，Ｇ2
とする。ここで、デッドタイム処理はスイッチＳ1 ，Ｓ
2 が同時にＯＮになるのを防止するために必要な処理で
ある。 【００３６】次に、逆流防止スイッチ１１の制御部につ
いて説明する。ゲート信号Ｇ3 はスイッチＳ3 のゲート
信号であり、通常の動作においては常時ＯＮ（Ｇ3 ＝
１）となっている。これに対し、電圧ＶS が電圧ＶB よ
り小さくなった場合にはＧ3 ＝０として逆流防止スイッ
チ１１をＯＦＦにし、大容量蓄電装置５から架線１に電
流が流れるのを防止する。また、電圧ＶS と電圧ＶB と
を比較器２４で比較した後、必要に応じて状態保持器２
５を設け、ひとたび電圧ＶS が電圧ＶB より小さくなっ
たらその後、逆流防止スイッチ１１がＯＦＦの状態を維
持する。 【００３７】図１０は、図２の大容量蓄電装置５の制御
装置８の他の構成例をさらに詳細に示すブロック線図で
ある。同図に示すように、図６に示す構成例とは電流の
検出部位が異なる。本例では電流検出器２６で架線電流
ＩS を検出し、これを０に制御する制御装置８である。
したがって、電流指令部２７には、電流指令値＝０が設
定してある。本例では、図６に示す例に対して、電流検
出器が少なくて済むという特長がある。 【００３８】ここで、電流検出器２６で検出する電流検
出値は、図１１に示すように、必要に応じてローパスフ
ィルタ３０によりフィルタ処理を行うように構成しても
良い。 【００３９】図１１に示す制御装置８を、図３又は図５
に示す主回路に適用するための制御系の一例を図１２に
示す。当該制御系は、図８に示す制御系とは、補償電流
ＩCの検出値の代わりに架線電流ＩS の検出値を用い、
架線電流ＩS の電流指令値Ｉ * S として０を用いている
点が異なる。他の構成は、図８に示す構成と同様であ
る。そこで、図８と同一部分には同一番号を付し、重複
する説明は省略する。 【００４０】電車は進行ダイヤが決まっているため、力
行・回生のパターンはある程度決まっている。このた
め、運行ダイヤの情報や列車の速度・位置をもとに本発
明に係る電気車の駆動システムの大容量蓄電装置５の運
転パターン（充放電パターンやリミッタ値）を決めれ
ば、当該電気車の駆動システムをより有効に活用するこ
とができる。例えば次のような方法が考えられる。 【００４１】 次に力行すると分かっている場合に
は、力行する前に大容量二次電池７を充電し、逆に回生
すると分かっている場合には大容量二次電池７を放電し
ておく。具体的には、大容量二次電池７を充放電してい
ないとき（電気車Ｉの停止時又は定速走行時）に、次の
動作を予測して電流指令値Ｉ* B を調整して大容量二次
電池７を充電または放電しておく。このとき架線電流Ｉ
S が大きくならないように電流指令値Ｉ* B は比較的小
さい値とする。 【００４２】 図１３に示すように、長時間の力行
（又は回生）を行い大容量二次電池７が力行（または回
生）途中で全放電（または満充電）してしまうことが分
かっている場合に、電流ＩB のリミッタ値を小さく設定
しておき、力行中（又は回生中）ずっと、ある程度の補
償が行えるようにする。このようにリミッタを設定する
ことで、架線１に大電流が流れるのを防ぐことができ
る。 【００４３】 【発明の効果】以上実施の形態とともに具体的に説明し
た通り、本発明によれば、電気鉄道の電気車に大容量の
蓄電装置をもうけ、力行時の電力は主にその蓄電装置か
ら供給し、また回生制動時にはその回生電力を前記蓄電
装置に蓄えることができるので、電気車が架線から供給
される電力量及び電気車が架線に回生する電力量を低減
することができる。 【００４４】この結果、き電線・架線の電圧変動を低減
するとともに、き電線・架線に流れる回生電流を大幅に
低減して回生失効を回避することもできる。さらに、き
電線・架線での損失を低減することが可能で、省エネル
ギー効果がある。 【００４５】また、全電気車に本電力貯蔵システムを搭
載することで、き電線に従来ほどの大電流が流れること
がなくなるため、き電線の太さを細くすること、及びき
電変電所の間隔を大きくすることが可能となり、地上設
備のコストダウンが実現できる。
ムに関する。さらに詳言すると、電気車に電力貯蔵シス
テムを搭載してモータの駆動電力の供給及び回生電力の
吸収を行い得るようにしたものである。 【０００２】 【従来の技術】直流電気鉄道において、電気車への電力
の供給は、一般に次のような経路で行われている。すな
わち、電気車の加速時・登坂時などの力行時には、き電
変電所からき電線・架線を経由して電気車に電力が供給
され、回生制動時には電気車から架線・き電線を介して
別の力行中の電気車に電力が供給される。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】上述の如き従来技術に
おいては、電気車が回生制動をかける際に他に力行中の
車両が存在しないと回生電力の行き場がなくなるため、
回生を行うことができなくなる。すなわち、回生失効と
いう問題を生起する。また、直流電気鉄道ではき電線・
架線の電流が大きいため、き電線・架線での電圧降下が
大きくき電変電所から遠い地点では電圧を定格値に保つ
ことが難しい。このため、き電変電所の間隔をあまり大
きくすることができず、設備投資額が高騰する。さら
に、き電線・架線の抵抗成分による損失が大きく、エネ
ルギー的に無駄が多い。 【０００４】本発明は、上記従来技術に鑑み、き電線・
架線の電圧の安定化及び損失の低減を実現するととも
に、設備費の低減も図り得る電気車の駆動システムを提
供することを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の構成は、次の点を特徴とする。 【０００６】１） 架線から供給される直流電力をモー
タ駆動変換器で変換して駆動源であるモータを駆動する
ことにより走行する電気車の駆動システムにおいて、上
記架線に対してモータ駆動変換器に並列に大容量蓄電装
置を接続し、当該電気車の力行時には大容量蓄電装置か
らモータ駆動変換器に電力を供給するとともに、回生時
にはモータ駆動変換器から大容量蓄電装置に電力を供給
してこの大容量蓄電装置に蓄電するように構成したこ
と。 【０００７】２） 上記１）に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、大容量蓄電装置は、ＤＣ／ＤＣ変換器
と、このＤＣ／ＤＣ変換器の制御装置と、大容量二次電
池又は大容量コンデンサとで構成したこと。 【０００８】３） 上記２）に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、ＤＣ／ＤＣ変換器は、双方向チョッ
パ、フィルタ及び逆転防止スイッチで構成するととも
に、前記双方向チョッパは、２個の自己消弧形スイッチ
ンング素子を交互にＯＮ，ＯＦＦさせることで、フィル
タ側と、大容量二次電池又は大容量コンデンサ側との双
方向に電流を流すことが可能であり、その電流は自己消
弧形素子のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率を調整すること
で制御可能なものとし、フィルタは、双方向チョッパへ
流れ込む補償電流を平滑化するものであり、逆転防止ス
イッチは、架線の電圧が大容量二次電池又は大容量コン
デンサの電圧よりも小さくなった場合にＯＦＦ状態とな
り、双方向チョッパと架線との接続状態を遮断するもの
としたこと。 【０００９】４） 上記３）に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、フィルタは、モータ駆動変換器の架線
側に設けるフィルタと共用したこと。 【００１０】５） 上記２）乃至４）の何れか一つに記
載する電気車の駆動システムにおいて、ＤＣ／ＤＣ変換
器の制御装置は、モータ駆動変換器への入力電流と当該
ＤＣ／ＤＣ変換器への補償電流とを検出し、前記入力電
流を電流指令値として補償電流との偏差が小さくなるよ
うにＤＣ／ＤＣ変換器を制御するものであること。 【００１１】６） 上記５）に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、制御装置は、補償電流ＩC を制御する
ための制御ループ及び大容量二次電池又は大容量コンデ
ンサへの充放電電流ＩB を制御するための制御ループを
有し、入力電流ＩL を電流指令値Ｉ* C とし、これと補
償電流ＩC との偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所
定のリミッタを通した上で、次段の充放電電流ＩB の制
御ループの電流指令値Ｉ* B とし、さらに前記電流指令
値Ｉ* B と充放電電流ＩB の検出値との偏差をＰＩ制御
器に入力するとともに所定のリミッタを通した上で変調
率指令値ｍ* とし、次に、変調率指令値ｍ* を基に、変
調率指令値ｍ* とキャリア信号とを比較器に入力し、そ
の出力信号をスイッチング信号とし、このスインチング
信号に基づきゲート信号を形成してＤＣ／ＤＣ変換器の
スイッチング素子のスイッチングタイミングを制御する
ようにしたこと。 【００１２】７） 上記２）乃至４）の何れか一つに記
載する電気車の駆動システムにおいて、ＤＣ／ＤＣ変換
器の制御装置は、架線への架線電流を検出し、零とする
電流指令値と前記架線電流との偏差が小さくなるように
ＤＣ／ＤＣ変換器を制御するものであること。 【００１３】８） 上記７）に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、制御装置は、架線電流ＩB を制御する
ための制御ループ及び大容量二次電池又は大容量コンデ
ンサへの充放電電流ＩB を制御するための制御ループを
有し、電流値零を電流指令値Ｉ* B とし、これと架線電
流ＩB との偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所定の
リミッタを通した上で、次段の充放電電流ＩB の制御ル
ープの電流指令値Ｉ* B とし、さらに前記電流指令値Ｉ*
B と充放電電流ＩB の検出値との偏差をＰＩ制御器に入
力するとともに所定のリミッタを通した上で変調率指令
値ｍ* とし、次に、変調率指令値ｍ* を基に、変調率指
令値ｍ* とキャリア信号とを比較器に入力し、その出力
信号をスイッチング信号とし、このスインチング信号に
基づきゲート信号を形成してＤＣ／ＤＣ変換器のスイッ
チング素子のスイッチングタイミングを制御するように
したこと。 【００１４】９） 上記１）乃至８）に記載する何れか
一つの電気車の駆動システムにおいて、電気車の運転ダ
イヤや速度・位置に基づき大容量蓄電装置の充放電のパ
ターン及びリミッタの制御を行うこと。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に
基づき詳細に説明する。 【００１６】本発明は電気鉄道の電気車に大容量蓄電装
置を設け、力行時の電力は、主にこの大容量蓄電装置か
ら供給する一方、回生制動時の回生電力は前記大電流蓄
電装置に蓄えることによって、電気車に架線から供給す
る電力量及び電気車が架線に回生する電力量を低減する
ものである。 【００１７】図１は本発明の実施の形態に係る電気車の
駆動システムを電気車に搭載した状態で示す全体のブロ
ック線図である。同図に示すように、当該電気車Ｉは、
架線１からパンタグラフ２を介して供給される直流電力
をモータ駆動変換器３で交流又は他の電圧の直流に変換
し、変換後の交流又は直流電力により駆動源であるモー
タ４を駆動するようになっている。かかる構成は従来技
術と同様である。 【００１８】本形態では、上記架線１に対してモータ駆
動変換器３に並列に大容量蓄電装置５を接続している。
かくして、電気車Ｉが力行する際には大容量蓄電装置５
からモータ駆動変換器３にエネルギーを供給し、回生時
には逆にモータ駆動変換器３から大容量蓄電装置５へエ
ネルギーを供給する。また、大容量蓄電装置５の容量や
電流定格の制限から、力行時にモータ駆動変換器３が必
要とする電流に対して大容量蓄電装置５だけでは不足す
る場合は、不足分を架線１から供給する一方、回生時に
モータ駆動変換器３が発生した回生電流を大容量蓄電装
置５だけでは回収できない場合には、その余剰分を架線
１に回生するものとする。 【００１９】以上の構成により、十分な容量の大容量蓄
電装置５を用いれば、架線１を流れる電流を従来と比較
して大幅に小さくすることができる。これにより、架線
電圧が定格電圧から大きく変動する現象を抑制すること
が可能となる。同時に、架線１での損失が小さくなるた
め、従来に比べて省エネルギーとなる鉄道システムを構
築可能となる。また、架線１へ回生される電力が大幅に
小さくなるので、回生失効が起こりにくくなる。さら
に、路線を走る全ての電気車Ｉに本形態の電気車の駆動
システムを搭載することで、き電線に従来のような大電
流が流れることがなくなるので、き電線を細くしたりき
電線長を長くする（変電所間隔を広げる）ことが可能と
なる。これにより、電気鉄道の地上設備の大幅なコスト
ダウンが可能となる。 【００２０】図２は図１の大容量蓄電装置の構成をさら
に詳細に示すブロック線図である。同図に示すによう
に、当該大容量蓄電装置５は、ＤＣ／ＤＣ変換器６、大
容量二次電池（または大容量コンデンサ）７及び制御装
置８で構成する。ここで、図２に示すように架線１を流
れる架線電流をＩS 、モータ駆４変換器３の入力電流を
ＩL 、大容量蓄電装置５からの補償電流をＩC 、大容量
二次電池７の充放電電流をＩB とする。ＤＣ／ＤＣ変換
器６は大容量二次電池７からの充放電電流ＩB の制御の
ために必要であり、双方向に電流を流すことができる変
換器である必要がある。制御装置８は電流検出器９、１
０で検出した入力電流ＩL 及び補償電流Ｉ C を表す信号
を入力とし、ＤＣ／ＤＣ変換器６の各素子のゲート信号
を出力とする。制御装置８では架線電流ＩS の絶対値を
小さくするように補償電流ＩC の制御を行うものとす
る。 【００２１】かかる大容量蓄電装置５の具体的な主回路
構成の一例を図３に示す。同図では制御装置８を省略し
て示してある。この制御装置８については後述する。ま
た、同図においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴ
のシンボルを用いているが、ＩＧＢＴに限らず自己消弧
形素子であれば置換可能である。 【００２２】図３に示すように、大容量蓄電装置５は、
逆流防止スイッチ１１、ＬＣフィルタ１２及び双方向チ
ョッパ１３からなるＤＣ／ＤＣ変換器６と、大容量二次
電池７とを有している。双方向チョッパ１３は自己消弧
形素子と逆並列ダイオードを組み合わせたもの２組と平
滑リアクトルで構成される。この双方向チョッパ１３は
２個の自己消弧形素子を交互にＯＮ，ＯＦＦさせること
で、ＬＣフィルタ１２側の電圧が大容量二次電池７側の
電圧よりも高い場合に、双方向に電流を流すことが可能
であり、その電流は自己消弧形素子のＯＮ時間とＯＦＦ
時間の比率を調整することで制御可能である。双方向チ
ョッパ１３のＬＣフィルタ１２側の電流は双方向チョッ
パ１３のスイッチングによってパルス状の波形となって
おり、これをそのまま架線・き電線に流した場合には様
々な悪影響を及ぼす虞がある。このため、ＬＣフィルタ
１２で前記電流の高周波成分を取り除いている。 【００２３】双方向チョッパ１３の動作を図４を用いて
説明する。リアクトルＬC の両端にかかる電圧ＶLcはス
イッチの状態に応じて図４のようになる。すなわち、ス
イッチＳ2 又はダイオードＤ2 が導通状態にあるとき、
電圧ＶLcは大容量二次電池７の電圧ＶB に等しくなり、
スイッチＳ1 又はダイオードＤ1 が導通状態にあるとき
は電圧ＶB は電圧ＶCFに等しくなる。スイッチＳ2 又は
ダイオードＤ2 が導通状態にあるときは電圧ＶLcは正と
なるためリアクトルＬC の電流ＩLcは増加し、逆にスイ
ッチＳ1 又はダイオードＤ1 が導通状態にあるときは電
圧ＶLcは負となるためリアクトルＬC の電流ＩLcは減少
する。ここで、後述する理由により大容量二次電池７の
電圧ＶB はフィルタコンデンサの電圧ＶCFよりも小さく
なるように動作点を設定してあるので、スイッチＳ1 又
はダイオードＤ1 が導通状態にあるときはＶLc＝ＶB −
ＶCFは負となる。このため、電流ＩLcはスイッチＳ
1 （又はスイッチＳ2 ）のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率
を調整しながらスイッチＳ1 、Ｓ2 を交互にＯＮ，ＯＦ
Ｆさせることで制御可能である。電流ＩF は、図４に示
すようにスイッチＳ1 又はダイオードＤ1 が導通状態の
時は電流ＩB に等しく、それ以外の時には０となる。こ
れをＬＣフィルタ１２で平滑化した電流が補償電流ＩC
となる。 【００２４】図４は大容量二次電池７から放電する場合
（ＩB が正の場合）について示したものであるが、電流
ＩB が逆方向に流れる場合も電流の符号が変わるだけで
同様の動作となる。 【００２５】図４に示す回路の双方向チョッパ１３が正
常に動作するためには、双方向チョッパ１３のＬＣフィ
ルタ１２側の電圧ＶCFが大容量二次電池７側の電圧ＶB
よりも大きい必要がある。さもないとスイッチＳ1 ，Ｓ
2 の状態に関係なくリアクトルＬC の電圧ＶLcが常に正
となってしまい、充放電電流ＩB が増加し続けてしまう
ために充放電電流ＩB を制御することができなくなって
しまう。かかる現象を回避するために逆流防止スイッチ
１１を設けている。逆流防止スイッチ１１の自己消弧形
素子は通常ＯＮ状態で用いるが、架線１の電圧が大容量
二次電池７の電圧よりも小さくなった場合にＯＦＦに
し、大容量二次電池７から架線１に大電流が流れるのを
防止している。 【００２６】ところで、モータ駆動用変換器３にはモー
タ４の種類によってＤＣ／ＤＣ変換器やＤＣ／ＡＣ変換
器といった半導体電力変換器を用いるのが普通である。
このため、前記大容量蓄電装置５と同様に、当該モータ
駆動変換器３から架線１側に高い周波数成分を含む電流
を流出させないために、モータ駆動変換器３にもＬＣフ
ィルタを設けるのが普通である。このＬＣフィルタと大
容量蓄電装置５のＬＣフィルタを共用とし、図５のよう
な構成とすることも可能である。なお、図５中、図４と
同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略す
る。 【００２７】図６は、図２の大容量蓄電装置５における
制御装置８のさらに具体的な構成例を示すブロック線図
である。同図に示すように、制御装置８では、電流検出
器９で検出したモータ駆動変換器３への入力電流Ｉ
L を、大容量蓄電装置５の電流指令値Ｉ* C とし、これ
に電流検出器１０で検出する補償電流ＩC が一致するよ
うにフィードバック制御を行う。 【００２８】ここで、入力電流ＩL 及び補償電流ＩC が
パルス状電流の場合など、高周波成分を多く含む場合に
は、図７に示すように、電流検出器９、１０の出力信号
である電流検出値を必要に応じてローパスフィルタ１
４、１５に通した後、これを処理するようにしても良
い。 【００２９】大容量二次電池７の容量や定格電流の制限
等によって大容量蓄電装置５の電流ＩC を指令値Ｉ* C
と一致させることができないことがある。この場合に
は、リミッタ１６（図６及び図７参照。）を作動させ、
各部の定格電流・動作範囲を超えないように制御する。
リミッタ１６の作動によって指令値通りの電流が得られ
ない場合、不足分は架線１に流れることになる。 【００３０】制御装置８のより具体的な構成例を図８に
示す。同図に示す制御装置８は、図３又は図５に示す主
回路に適用するためのものである。まず、同図の電流制
御部分について説明する。電流制御部分は、ＩC ，
ＩL ，ＩB の各検出値を入力とし、ゲート信号Ｇ1 ，Ｇ
2 を出力とする。図では省略してあるが、電流検出値に
高周波成分が多く含まれるときは必要に応じて電流検出
値をローパスフィルタを通すフィルタ処理を行う。電流
制御部分は、大容量二次電池７の充放電電流ＩB を制御
するためのフィードバックループと大容量蓄電装置５の
入力電流ＩC を制御するためのフィードバックループ及
びゲート信号生成部から構成される。 【００３１】補償電流ＩC を制御するためのフィードバ
ックループでは、入力電流ＩL を指令値Ｉ* C （補償電
流ＩC の指令値）とし、これと補償電流ＩC との偏差を
ＰＩ制御器１７に入力する。ＰＩ制御器１７の出力はリ
ミッタ１８を通した上で次段の電流ＩB の制御ループの
電流指令値Ｉ* B とする。リミッタ１８では大容量二次
電池７の電流定格を超えないように電流指令値Ｉ* B を
一定範囲内に制限するようリミッタをかける。また、電
圧ＶB に基づき大容量二次電池７の充電状態を判断し、
それ以上の放電が不可能な場合には電流指令値Ｉ* B ≦
０となるように、またそれ以上充電できないときには電
流指令値Ｉ* B ≧０となるようにリミッタを制御する。 【００３２】次段の電流ＩB を制御するループでは、前
段で求めた電流指令値Ｉ* B と電流検出値ＩB との偏差
をＰＩ制御器１９に入力し、その出力をリミッタ２０に
通した上で変調率指令値ｍ* とする。変調率ｍはスイッ
チＳ1 のＯＮ時間ｔ1 とスイッチＳ2 のＯＮ時間ｔ2 を
用いて次式のように定義する。 【数１】 【００３３】リミッタ２０では変調率指令値ｍ* の上限
値・下限値を制御する。上式より０≦ｍ≦１であるが、
通常は細すぎるＯＮパルスやＯＦＦパルスを発生しない
ようにリミッタ範囲をこれより狭くするのが一般的であ
る。 【００３４】次に、変調率指令値ｍ* を基にスイッチン
グ信号を生成する。具体的には変調率指令値ｍ* とキャ
リア信号発生部２２が発生するキャリア信号とを比較器
２２に入力し、その出力信号をスイッチング信号とす
る。キャリア信号としては、図９に示すような三角波を
用いる。この場合、キャリア三角波の周波数がスイッチ
ング周波数となる。 【００３５】上述の処理により発生したスイッチング信
号Ｇ′1 ，Ｇ′2 に対して、デッドタイム処理部２３で
ターンオンのタイミングを微小時間だけ遅らせる処理を
施したものをスイッチング素子のゲート信号Ｇ1 ，Ｇ2
とする。ここで、デッドタイム処理はスイッチＳ1 ，Ｓ
2 が同時にＯＮになるのを防止するために必要な処理で
ある。 【００３６】次に、逆流防止スイッチ１１の制御部につ
いて説明する。ゲート信号Ｇ3 はスイッチＳ3 のゲート
信号であり、通常の動作においては常時ＯＮ（Ｇ3 ＝
１）となっている。これに対し、電圧ＶS が電圧ＶB よ
り小さくなった場合にはＧ3 ＝０として逆流防止スイッ
チ１１をＯＦＦにし、大容量蓄電装置５から架線１に電
流が流れるのを防止する。また、電圧ＶS と電圧ＶB と
を比較器２４で比較した後、必要に応じて状態保持器２
５を設け、ひとたび電圧ＶS が電圧ＶB より小さくなっ
たらその後、逆流防止スイッチ１１がＯＦＦの状態を維
持する。 【００３７】図１０は、図２の大容量蓄電装置５の制御
装置８の他の構成例をさらに詳細に示すブロック線図で
ある。同図に示すように、図６に示す構成例とは電流の
検出部位が異なる。本例では電流検出器２６で架線電流
ＩS を検出し、これを０に制御する制御装置８である。
したがって、電流指令部２７には、電流指令値＝０が設
定してある。本例では、図６に示す例に対して、電流検
出器が少なくて済むという特長がある。 【００３８】ここで、電流検出器２６で検出する電流検
出値は、図１１に示すように、必要に応じてローパスフ
ィルタ３０によりフィルタ処理を行うように構成しても
良い。 【００３９】図１１に示す制御装置８を、図３又は図５
に示す主回路に適用するための制御系の一例を図１２に
示す。当該制御系は、図８に示す制御系とは、補償電流
ＩCの検出値の代わりに架線電流ＩS の検出値を用い、
架線電流ＩS の電流指令値Ｉ * S として０を用いている
点が異なる。他の構成は、図８に示す構成と同様であ
る。そこで、図８と同一部分には同一番号を付し、重複
する説明は省略する。 【００４０】電車は進行ダイヤが決まっているため、力
行・回生のパターンはある程度決まっている。このた
め、運行ダイヤの情報や列車の速度・位置をもとに本発
明に係る電気車の駆動システムの大容量蓄電装置５の運
転パターン（充放電パターンやリミッタ値）を決めれ
ば、当該電気車の駆動システムをより有効に活用するこ
とができる。例えば次のような方法が考えられる。 【００４１】 次に力行すると分かっている場合に
は、力行する前に大容量二次電池７を充電し、逆に回生
すると分かっている場合には大容量二次電池７を放電し
ておく。具体的には、大容量二次電池７を充放電してい
ないとき（電気車Ｉの停止時又は定速走行時）に、次の
動作を予測して電流指令値Ｉ* B を調整して大容量二次
電池７を充電または放電しておく。このとき架線電流Ｉ
S が大きくならないように電流指令値Ｉ* B は比較的小
さい値とする。 【００４２】 図１３に示すように、長時間の力行
（又は回生）を行い大容量二次電池７が力行（または回
生）途中で全放電（または満充電）してしまうことが分
かっている場合に、電流ＩB のリミッタ値を小さく設定
しておき、力行中（又は回生中）ずっと、ある程度の補
償が行えるようにする。このようにリミッタを設定する
ことで、架線１に大電流が流れるのを防ぐことができ
る。 【００４３】 【発明の効果】以上実施の形態とともに具体的に説明し
た通り、本発明によれば、電気鉄道の電気車に大容量の
蓄電装置をもうけ、力行時の電力は主にその蓄電装置か
ら供給し、また回生制動時にはその回生電力を前記蓄電
装置に蓄えることができるので、電気車が架線から供給
される電力量及び電気車が架線に回生する電力量を低減
することができる。 【００４４】この結果、き電線・架線の電圧変動を低減
するとともに、き電線・架線に流れる回生電流を大幅に
低減して回生失効を回避することもできる。さらに、き
電線・架線での損失を低減することが可能で、省エネル
ギー効果がある。 【００４５】また、全電気車に本電力貯蔵システムを搭
載することで、き電線に従来ほどの大電流が流れること
がなくなるため、き電線の太さを細くすること、及びき
電変電所の間隔を大きくすることが可能となり、地上設
備のコストダウンが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力貯蔵装置を電気
車に搭載した状態で示す全体のブロック線図である。 【図２】図１の大容量蓄電装置の構成をさらに詳細に示
すブロック線図である。 【図３】図２の大容量蓄電装置の主回路の具体的な一構
成例を示す回路図である。 【図４】図３の双方向チョッバにおける各部の波形を示
す波形図である。 【図５】図２の大容量蓄電装置の主回路の具体的な他の
構成例を示す回路図である。 【図６】図２の大容量蓄電装置の制御装置の第１の構成
例をさらに詳細に示すブロック線図である。 【図７】図６の制御装置にローパスフィルタを追加した
その変形例を示すブロック線図である。 【図８】図３及び図５に示す主回路に適用する制御系の
一例を示すブロック線図である。 【図９】図８に示す制御系におけるゲート信号の発生方
法を説明するための波形図である。 【図１０】図２の大容量蓄電装置の制御装置の第２の構
成例をさらに詳細に示すブロック線図である。 【図１１】図１０の制御装置にローパスフィルタを追加
したその変形例を示すブロック線図である。 【図１２】図３及び図５に示す主回路に適用する制御系
の他の例を示すブロック線図である。 【図１３】長時間力行することが分かっている場合に電
流リミッタを小さくする対策の効果を説明するための説
明図である。 【符号の説明】 Ｉ 電気車 １ 架線 ３ モータ駆動変換器 ４ モータ ５ 大容量蓄電装置 ６ ＤＣ／ＤＣ変換器 ７ 大容量二次電池又は大容量コンデンサ ８ 制御装置 １１ 逆転防止スイッチ １２ ＬＣフィルタ １３ 双方向チョッパ
車に搭載した状態で示す全体のブロック線図である。 【図２】図１の大容量蓄電装置の構成をさらに詳細に示
すブロック線図である。 【図３】図２の大容量蓄電装置の主回路の具体的な一構
成例を示す回路図である。 【図４】図３の双方向チョッバにおける各部の波形を示
す波形図である。 【図５】図２の大容量蓄電装置の主回路の具体的な他の
構成例を示す回路図である。 【図６】図２の大容量蓄電装置の制御装置の第１の構成
例をさらに詳細に示すブロック線図である。 【図７】図６の制御装置にローパスフィルタを追加した
その変形例を示すブロック線図である。 【図８】図３及び図５に示す主回路に適用する制御系の
一例を示すブロック線図である。 【図９】図８に示す制御系におけるゲート信号の発生方
法を説明するための波形図である。 【図１０】図２の大容量蓄電装置の制御装置の第２の構
成例をさらに詳細に示すブロック線図である。 【図１１】図１０の制御装置にローパスフィルタを追加
したその変形例を示すブロック線図である。 【図１２】図３及び図５に示す主回路に適用する制御系
の他の例を示すブロック線図である。 【図１３】長時間力行することが分かっている場合に電
流リミッタを小さくする対策の効果を説明するための説
明図である。 【符号の説明】 Ｉ 電気車 １ 架線 ３ モータ駆動変換器 ４ モータ ５ 大容量蓄電装置 ６ ＤＣ／ＤＣ変換器 ７ 大容量二次電池又は大容量コンデンサ ８ 制御装置 １１ 逆転防止スイッチ １２ ＬＣフィルタ １３ 双方向チョッパ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 5G003 AA01 AA07 BA01 DA07 DA18
FA06 GB03 GB06
5H115 PA11 PC02 PG01 PI03 PI16
PO02 PO17 PU02 PV02 PV23
QE04 QE08 QI04 QN22 QN23
QN27 SE04 SE06 TI06 TO13
TR16 TR19 TU05
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 架線から供給される直流電力をモータ駆
動変換器で変換して駆動源であるモータを駆動すること
により走行する電気車の駆動システムにおいて、 上記架線に対してモータ駆動変換器に並列に大容量蓄電
装置を接続し、当該電気車の力行時には大容量蓄電装置
からモータ駆動変換器に電力を供給するとともに、回生
時にはモータ駆動変換器から大容量蓄電装置に電力を供
給してこの大容量蓄電装置に蓄電するように構成したこ
とを特徴とする電気車の駆動システム。 【請求項２】 〔請求項１〕に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、 大容量蓄電装置は、ＤＣ／ＤＣ変換器と、このＤＣ／Ｄ
Ｃ変換器の制御装置と、大容量二次電池又は大容量コン
デンサとで構成したことを特徴とする電気車の駆動シス
テム。 【請求項３】 〔請求項２〕に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、 ＤＣ／ＤＣ変換器は、双方向チョッパ、フィルタ及び逆
転防止スイッチで構成するとともに、 前記双方向チョッパは、２個の自己消弧形スイッチンン
グ素子を交互にＯＮ，ＯＦＦさせることで、フィルタ側
と、大容量二次電池又は大容量コンデンサ側との双方向
に電流を流すことが可能であり、その電流は自己消弧形
素子のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率を調整することで制
御可能なものとし、 フィルタは、双方向チョッパへ流れ込む補償電流を平滑
化するものであり、 逆転防止スイッチは、架線の電圧が大容量二次電池又は
大容量コンデンサの電圧よりも小さくなった場合にＯＦ
Ｆ状態となり、双方向チョッパと架線との接続状態を遮
断するものとしたことを特徴とする電気車の駆動システ
ム。 【請求項４】 〔請求項３〕に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、 フィルタは、モータ駆動変換器の架線側に設けるフィル
タと共用したことを特徴とする電気車の駆動システム。 【請求項５】 〔請求項２〕乃至〔請求項４〕の何れか
一つに記載する電気車の駆動システムにおいて、 ＤＣ／ＤＣ変換器の制御装置は、モータ駆動変換器への
入力電流と当該ＤＣ／ＤＣ変換器への補償電流とを検出
し、前記入力電流を電流指令値として補償電流との偏差
が小さくなるようにＤＣ／ＤＣ変換器を制御するもので
あることを特徴とする電気車の駆動システム。 【請求項６】 〔請求項５〕に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、 制御装置は、補償電流ＩC を制御するための制御ループ
及び大容量二次電池又は大容量コンデンサへの充放電電
流ＩB を制御するための制御ループを有し、 入力電流ＩL を電流指令値Ｉ* C とし、これと補償電流
ＩC との偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所定のリ
ミッタを通した上で、次段の充放電電流ＩB の制御ルー
プの電流指令値Ｉ* B とし、 さらに前記電流指令値Ｉ* B と充放電電流ＩB の検出値
との偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所定のリミッ
タを通した上で変調率指令値ｍ* とし、 次に、変調率指令値ｍ* を基に、変調率指令値ｍ* とキ
ャリア信号とを比較器に入力し、その出力信号をスイッ
チング信号とし、このスインチング信号に基づきゲート
信号を形成してＤＣ／ＤＣ変換器のスイッチング素子の
スイッチングタイミングを制御するようにしたことを特
徴とする電気車の駆動システム。 【請求項７】 〔請求項２〕乃至〔請求項４〕の何れか
一つに記載する電気車の駆動システムにおいて、 ＤＣ／ＤＣ変換器の制御装置は、架線への架線電流を検
出し、零とする電流指令値と前記架線電流との偏差が小
さくなるようにＤＣ／ＤＣ変換器を制御するものである
ことを特徴とする電気車の駆動システム。 【請求項８】 〔請求項７〕に記載する電気車の駆動シ
ステムにおいて、 制御装置は、架線電流ＩB を制御するための制御ループ
及び大容量二次電池又は大容量コンデンサへの充放電電
流ＩB を制御するための制御ループを有し、 電流値零を電流指令値Ｉ* B とし、これと架線電流ＩB
との偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所定のリミッ
タを通した上で、次段の充放電電流ＩB の制御ループの
電流指令値Ｉ* B とし、 さらに前記電流指令値Ｉ* B と充放電電流ＩB の検出値
との偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所定のリミッ
タを通した上で変調率指令値ｍ* とし、 次に、変調率指令値ｍ* を基に、変調率指令値ｍ* とキ
ャリア信号とを比較器に入力し、その出力信号をスイッ
チング信号とし、このスインチング信号に基づきゲート
信号を形成してＤＣ／ＤＣ変換器のスイッチング素子の
スイッチングタイミングを制御するようにしたことを特
徴とする電気車の駆動システム。 【請求項９】 〔請求項１〕乃至〔請求項８〕に記載す
る何れか一つの電気車の駆動システムにおいて、 電気車の運転ダイヤや速度・位置に基づき大容量蓄電装
置の充放電のパターン及びリミッタの制御を行うことを
特徴とする電気車の駆動システム。
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