JP2003205772A - 交流電気鉄道の電源設備 - Google Patents
交流電気鉄道の電源設備Info
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Abstract
る切替遮断器の寿命、点検と設備更新、コスト、開閉サ
ージの課題を解決する。 【解決手段】 切替遮断器SW1,SW2に代えて、中
セクションに電力を供給できる別電源装置PSを設け、
この別電源装置の電圧と位相制御として、電気車が中セ
クションに進入する前および電気車の全車両が中セクシ
ョンに進入するまでは「それまで電気車に電力を供給し
ていた側の電源」と同等の電圧と位相に制御し、電気車
が中セクションを抜け出す前および電気車の全車両が中
セクションを抜け出すまでは「これから電気車に電力を
供給する側の電源」と同等の電圧と位相に制御すること
で、中セクションを通過する電気車に走行に必要な電力
を供給できるようにする。別電源装置としては、インバ
ータ電源装置、これにトランスによる電力合成するも
の、直流電源に大容量直流キャパシタを設けるもの、負
荷平衡補償装置を直流電源として利用するものとする。
Description
電気鉄道の電源設備に係り、特に電気車が異電源区間を
通過するための電源切替セクションに関する。
力系から単相電力を得るのに、3相電圧不平衡を軽減す
るため、3相−2相変換器としてスコットトランスを用
い、二次側に2つの単相(M座とT座)電源を得てい
る。他の方式として、ウッドブリッジトランスを用い、
二次側に2つの単相(A座とB座)電源を得ている。
所からトロリー線に電力供給するのに、変電所直下およ
びき電区分所には異電源突き合わせの切替セクションが
設けられる。
の場合で示す。新幹線では先頭側車両と後尾側車両のパ
ンタグラフ間をブス引き通し(ケーブル)で接続してお
り、切替セクションは、車両の最大パンタグラフ間隔以
上になる距離(一般に1000m)で設けられるエアセ
クションD1,D2の間を中セクションとし、エアセク
ションD1,D2の両端と中セクション間に開閉器(切
替遮断器)SW1,SW2を設けた構成とする。
囲内に到達するまでは、開閉器SW1を閉、開閉器SW
2を開としておくことで開閉器SW1側の電源から電力
を供給し続け、全車両が中セクションを走行中に開閉器
SW1を開、開閉器SW2を閉と切り替えることで開閉
器SW2側の電源から電力の供給を開始する。これによ
り、開閉器の切換時に瞬時停電はあるが連続した電力供
給を可能にし、新幹線の運転者は、異電源区間の通過を
意識することなく、そのままエアセクションの走行運転
ができる。
切替セクションに適用されている切替遮断器SW1,S
W2は、電気車の通過の度に開閉動作を行うため、寿命
が短く、定期的な設備点検及び設備更新が必要であり、
コスト的に大きな負担となっている。
相等の条件によっては過大な電圧が発生することもあ
り、切替遮断器の極間短絡事故も起きている。
素子をスイッチ手段とする静止形の切替遮断器の開発も
試みられているが、未だ実用化に至っていない。
交流電気鉄道の電源設備を提供することにある。
解決するため、切替遮断器に代えて、中セクションに電
力を供給できる別電源装置を設け、この別電源装置の電
圧を位相制御して、電気車が中セクションに進入する前
および電気車の全車両が中セクションに進入するまでは
「それまで電気車に電力を供給していた側の電源」と同
等の電圧と位相に制御し、電気車が中セクションを抜け
出す前および電気車の全車両が中セクションを抜け出す
までは「これから電気車に電力を供給する側の電源」と
同等の電圧と位相に制御するようにしたものであり、以
下の構成を特徴とする。
ョンを設けた交流電気鉄道の電源設備において、前記切
替セクションは、一対のエアセクションとその間に中セ
クションを設け、前記中セクションに電圧と位相を制御
して電力を供給できる別電源装置を設け、前記別電源装
置は、電気車が前記中セクションに進入する前および電
気車の全車両が中セクションに進入するまでは「それま
で電気車に電力を供給していた側の電源」と同等の電圧
と位相に制御し、電気車が前記中セクションを抜け出す
前および電気車の全車両が中セクションを抜け出すまで
は「これから電気車に電力を供給する側の電源」と同等
の電圧と位相に制御する構成としたことを特徴とする。
方を電源とし、前記電圧と位相を制御して前記中セクシ
ョンを走行中の電気車に電力を供給できるインバータ電
源装置としたことを特徴とする。
源からそれぞれ電圧変成した出力を得る一対のトランス
と、前記異電源の一方を電源とし、前記一対のトランス
の二次出力の合成電圧に直交しかつ180度回転させる
位相制御をして該一対のトランスの出力と合成して前記
中セクションに電力を供給できるインバータ電源装置と
したことを特徴とする。
方を電源として充電しておく大容量キャパシタを直流電
源とし、前記電圧と位相を制御して前記中セクションを
走行中の電気車に電力を供給できるインバータ電源装置
としたことを特徴とする。
面と下り方面の両切替セクションに対して個別に電力を
供給できる一対のインバータ本体とその制御回路と、前
記異電源の一方を電源として前記インバータ本体に直流
電力を供給できる1台のコンバータとしたことを特徴と
する。
電区分所に設備される負荷平衡補償装置の双方向電力変
換器を直流電源とし、前記電圧と位相を制御して前記中
セクションを走行中の電気車に電力を供給できるインバ
ータ電源装置としたことを特徴とする。
の負荷平衡補償装置の双方向電力変換器をそれぞれ直流
電源とし、電気車の上り方面と下り方面の両切替セクシ
ョンに対して個別に電力を供給できる双対のインバータ
本体とその制御回路としたことを特徴とする。
中セクションに回生される電力を吸収する手段を設けた
ことを特徴とする。
行状態に応じて両異電源と前記中セクション間を接続で
きる一対のバックアップ用切替遮断器を設けたことを特
徴とする。
ョンの基本構成を示す。新幹線用の切替セクション構成
において、切替遮断器SW1,SW2を省き、中セクシ
ョンには電圧と位相を制御可能にした別電源装置PSを
設ける。
電気車がM座(又はA座)電源から電力供給されて中セ
クションに進入するときにM座電源のそれに合わせてお
くことで、電気車が中セクションに進入および走行する
際にM座電源と別電源装置との間に同期状態を得る。
はB座)電源側に進入するときに、別電源装置の電圧と
位相をT座の電源のそれに合わせておくことで、電気車
かT座電源に進入および中セクションから抜け出す際に
T座電源と別電源装置との間に同期状態を得る。
クションに電源を供給するための従来の切替遮断器SW
1,SW2が不要となり、従来の切替セクションでの切
替遮断器SW1,SW2の寿命、点検と更新の必要性、
開閉サージの発生などの課題を解決することができる。
は、電気車の制御との兼ね合いで急激に制御すると互い
に干渉しあうため、電気車が中セクションを通過する時
間から割り出して数秒間に亙って徐々に変化させるのが
好ましい。
て、インバータ電源装置を用いた場合の実施形態を図2
に示す。インバータ電源装置のインバータ本体1は、I
GBT等の半導体スイッチとフライホイールダイオード
からなるアームの単相ブリッジ接続で電圧形逆変換部を
構成し、そのスイッチのゲート制御によってコンバータ
2から供給される直流電力を電圧と位相を制御した単相
交流に変換し、この出力を出力トランス3を介して中セ
クションに供給する。コンバータ2は図示ではT座電源
側から交流電力を取り込む場合を示すがM座電源側から
電力を取り込むことでもよい。
は、切換制御部4Aと位相制御部4Bと電圧制御部4C
および出力制御部4Dで構成し、インバータ本体1にM
座電源またはT座電源に同期した出力を得るための制御
を行う。
電源とT座電源を切り換えてその位相と電圧信号をアナ
ログ信号またはディジタル信号で取得する。これら信号
は電圧変成器(PT)5、6によって適当なレベルに降
圧したものから得る。
た入力信号の位相を検出し、この位相に追従させた位相
制御信号を発生する。電圧制御部4Cは切換制御部4A
が選択した入力信号の電圧を検出し、この電圧に追従さ
せた電圧制御信号を発生する。
4Bと電圧制御部4Cからの位相および電圧制御信号に
追従した交流出力を得るのに必要なゲート信号を生成
し、このゲート信号でインバータ本体1の半導体スイッ
チをオン・オフ制御する。このゲート制御により、イン
バータ本体1にM座電源またはT座電源の周波数と位相
および電圧で同期した交流出力を得る。なお、ゲート信
号としては、インバータ本体の交流出力に正弦波を得る
PWM制御できるものが好ましい。
クションに対する電気車の進行に応じたタイミングで発
生する。この選択指令は、電気車の位置を基に発生する
もので、電気車の位置は、例えば、切替セクションの前
後位置でレール側に設けた誘導電流方式の電気車検知器
で検出する方法とすることができる。
ら中セクションに進入する前および全車両が中セクショ
ンに進入するまでは、インバータ電源装置の運転をM座
電源と同等の電圧と位相に制御しておくことで、電気車
が中セクションに進入開始時および全車両が中セクショ
ンを通過中には、電気車には瞬時停電なくかつM座電源
と同期した電力をインバータ電源装置から供給すること
ができる。
および全車両が中セクションを抜け出すまでは、インバ
ータ電源装置の運転をT座電源と同等の電圧と位相に制
御しておくことで、電気車が中セクションから抜け出す
とき及び全車両がT座電源側に進入するまでは、電気車
には瞬時停電なくかつT座電源と同期した電力をインバ
ータ電源装置から供給することができる。
て、インバータ電源装置とトランスを用いた場合の実施
形態を図3の(a)に示す。
様の構成要素(1、2、4〜6)を有して単相出力を
得、出力トランス8の二次側に出力する。トランス9は
M座電源を一次入力とし、二次側にM座電源と同じ位相
で電圧変成した出力を得る。同様に、トランス10はT
座電源を一次入力とし、二次側にT座電源と同じ位相で
電圧変成した出力を得る。各トランス8〜10の二次出
力は直列接続で合成して中セクションへ電力を供給す
る。
次出力には、それぞれM座電源とT座電源とは異相で電
圧値が1/√2のものを得る。これにより、これらの合
成出力には、図3の(b)に示すように、直交するM座
電圧とT座電圧に対して電気角45度の電圧Vmtを得
ることができる。
またはT座電源の電圧を基準位相とし、電圧が1/√2
で、位相が電圧Vmtに直交しかつ選択指令で180度
回転できる電圧Vinvを得る。
で、トランス8〜10の合成出力は、図3の(b)に示
すように、上記のVmtとVinvとの合成になる。こ
れにより、中セクションに供給する交流出力には、電気
車がM座電源側から中セクションに進入してしまうまで
は、インバータ電源装置への選択指令によって、電圧お
よび位相をM座電源のそれに一致させることができる。
また、電気車が中セクションから抜け出すときには、イ
ンバータ電源装置への選択指令の切換えによって、中セ
クションに供給する交流出力には、T座電源の電圧およ
び位相に一致させることができる。
果を得ることができる他、中セクションへ供給する電力
のうち、インバータ電源装置の出力容量を実施形態1の
それよりも少なくすることができ、インバータ電源装置
の小型化、コストダウン、信頼性向上を図ることができ
る。
て、インバータ電源装置と大容量キャパシタを用いた場
合の実施形態を図4に示す。
にインバータ本体1とコンバータ2や制御回路4などの
構成要素(1〜6)を有し、電気車の進行状態に合わせ
て、M座電源とT座電源の電圧と位相に合わせた単相出
力を中セクションに供給する。
または電気二重層キャパシタなど、電気車の走行に必要
な電力程度の直流電力を放電できる容量を有し、インバ
ータ本体1に対してコンバータ2と併用して直流電力を
供給する。
から中セクションを通して電気車に電力を供給すると
き、その電力の大部分を大容量キャパシタ11の放電で
賄うことができる。そして、電気車が中セクションを抜
け出した後には、コンバータ2から大容量キャパシタ1
1に小電流で充電しておくことができる。
ンに電力を供給する時間は短時間(一般には数秒)にな
るため、その直流電源として大容量キャパシタ11を利
用することで、コンバータ2の容量を小さく、かつ安価
にできる。
ンバータ電源装置7に適用することができる。
て、電気車の上り方面と下り方面の2種系統のき電構成
に適用するためのインバータ電源装置の実施形態を図5
に示す。
面のき電線と下り方面のき電線に対して、それぞれ出力
トランス3A,3Bと、インバータ本体1A,1Bおよ
び制御回路4A,4Bを設け、コンバータ2は上り方面
のT座を電源として両インバータ本体1A,1Bに直流
電力を供給する共用方式とする。
A,1Bの制御は前記までの実施形態と同様にされ、電
圧と位相を切換制御して中セクションを通過する電気車
に必要な電力を供給する。
容量が増加する可能性があるが、その台数を半減させる
ことができる。容量増加に対しては、数秒間の短時間定
格のため、さらに上下両方面に電気車が位置する可能性
が少ないため、コストアップや寸法等にあまり影響を及
ぼすことはない。
電異常も有り得るため、切換スイッチ等によってき電線
切換え可能としておくのが好ましい。
源装置の構成として、実施形態2または実施形態3の構
成を適用できる。
て、負荷平衡補償装置(RPC)を直流電源として利用
したインバータ電源装置の構成を図8に示す。
られるスコットトランス12のM座,T座間の負荷を平
衡化させ、電源の三相平衡化と電圧変動を抑制する。こ
の装置構成は、スコットトランス12のM座側とT座側
に、それぞれトランス13A,13Bと双方向電力変換
器14A,14Bとを設け、電力変換器14A,14B
の直流側を互いに接続しておき、電力変換器14A,1
4Bの順/逆電力変換制御を可能にした制御装置15を
設けておく。
中で、スコットトランス12のM座側の負荷が大きく、
T座側の負荷が小さくなる場合、電力変換器14Bから
電力変換器14Aに電力融通を行うことで、M,T座間
の負荷の平衡化と電圧変動を抑制する。逆に、電気車A
がT座側を力行中には、電力変換器14Aから電力変換
器14Bに電力融通を行い、M,T座間の負荷の平衡化
と電圧変動を抑制する。
換器14A,14Bの直流側が互いに接続され、両電力
変換器14A,14Bから直流電力を取り出せることを
利用し、これを直流電源とすることで図2等におけるコ
ンバータ2を不要にしたものである。
通過中には、電力変換器14A,14Bを通してインバ
ータ本体1に直流電力を供給し、図2の場合と同様の制
御装置4によりインバータ本体1の電圧と位相制御を
し、インバータ本体1からM座またはT座と同期した交
流電力をトランス3を通して電気車に供給する。
は、負荷平衡補償装置をコンバータとして利用でき、装
置のコストダウンを図ることができる。
バータ本体1に供給する電力は、電気車が中セクション
内を通過中のみであり、しかも電力変換器14A,14
Bで負荷分散されるため、負荷平衡補償装置はその補償
電力容量を高めることなく、既存のものをそのまま利用
することができる。
がM座側またはT座側の一方のみを走行中という最大の
不平衡状態にも対応できるよう電力容量が設計されてお
り、このような運行状態は実際には殆どなく、通常には
低い補償電力容量領域で運用されているため、高価な装
置ではあるがその稼働率が低いものであった。これに対
して、本実施形態では負荷平衡補償装置をコンバータと
して利用するため、負荷平衡補償装置自体を有効利用
し、そのコストパフォーマンスを高めることができる。
装置を利用した場合の具体例を示す。負荷平衡補償装置
は、通常、鉄道の上り線と下り線にそれぞれ設備した2
重系構成にされるため、一対のインバータ本体1A,1
Bから上り線と下り線の中セクションにそれぞれ電力供
給を行い、しかもインバータ本体を双対とした2重系構
成とするのに、それらの直流電力を2重系の負荷平衡補
償装置からそれぞれ供給する構成とする。これにより、
負荷平衡補償装置またはインバータ本体の一方の系に不
具合が発生した場合にも、中セクションへの電力供給の
ための電源確保を確実にし、信頼性を高めることができ
る。
る負荷平衡補償装置を利用した場合の具体例を示し、こ
の場合にも中セクションへの電力供給のための電源確保
を確実にし、信頼性を高めることができる。
源装置の構成として、実施形態2または実施形態3の構
成を適用できる。
は、従来の切替遮断器SW1,SW2を省いた構成を示
すが、電気鉄道が公共設備になるため、別電源装置に不
具合が発生したときに電気鉄道の停電と同様の運行不能
を起こす恐れがある。
して、図6に示すように、切替セクションには別電源装
置に加えて、バックアップ用の切替遮断器SW1,SW
2を設けておくこと、もしくは既存の切替セクションの
切替遮断器SW1,SW2を撤去することなく残してお
くことにより、別電源装置の不具合時に切替遮断器SW
1,SW2による電源切替えを可能にする。
バックアップ用のため、その開閉制御の頻度は極めて小
さくなることから、その寿命や開閉サージ等が問題とな
ることはほとんどない。
て、電気車がき電線に対して回生制動する機能構成で、
上記のバックアップ用の切替遮断器SW1,SW2を設
けない切替セクション構成では、電気車が中セクション
を通過中に制動運転すると、短時間ではあるがその回生
電力を別電源装置が吸収する必要がある。
側に発電制動用の抵抗器とその投入スイッチを設けるこ
と、または大容量キャパシタ11の充電電力とするこ
と、もしくはコンバータ2に双方向電力変換機能を設け
て回生電力をき電線側に回生する構成とする。
ションに電力を供給できる別電源装置を設け、この別電
源装置の電圧と位相制御により、電気車が切替セクショ
ンを通過する際に必要な電力を供給するようにしたた
め、従来の切替遮断器SW1,SW2による寿命、点検
と設備更新、コスト、開閉サージの課題を解決すること
ができる。
Claims (9)
- 【請求項1】 異電源突き合わせ箇所に切替セクション
を設けた交流電気鉄道の電源設備において、 前記切替セクションは、一対のエアセクションとその間
に中セクションを設け、前記中セクションに電圧と位相
を制御して電力を供給できる別電源装置を設け、 前記別電源装置は、電気車が前記中セクションに進入す
る前および電気車の全車両が中セクションに進入するま
では「それまで電気車に電力を供給していた側の電源」
と同等の電圧と位相に制御し、電気車が前記中セクショ
ンを抜け出す前および電気車の全車両が中セクションを
抜け出すまでは「これから電気車に電力を供給する側の
電源」と同等の電圧と位相に制御する構成としたことを
特徴とする交流電気鉄道の電源設備。 - 【請求項2】 前記別電源装置は、前記異電源の一方を
電源とし、前記電圧と位相を制御して前記中セクション
を走行中の電気車に電力を供給できるインバータ電源装
置としたことを特徴とする請求項1に記載の交流電気鉄
道の電源設備。 - 【請求項3】 前記別電源装置は、 前記両方の異電源からそれぞれ電圧変成した出力を得る
一対のトランスと、 前記異電源の一方を電源とし、前記一対のトランスの二
次出力の合成電圧に直交しかつ180度回転させる位相
制御をして該一対のトランスの出力と合成して前記中セ
クションに電力を供給できるインバータ電源装置とした
ことを特徴とする請求項1または2に記載の交流電気鉄
道の電源設備。 - 【請求項4】 前記別電源装置は、前記異電源の一方を
電源として充電しておく大容量キャパシタを直流電源と
し、前記電圧と位相を制御して前記中セクションを走行
中の電気車に電力を供給できるインバータ電源装置とし
たことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載
の交流電気鉄道の電源設備。 - 【請求項5】 前記別電源装置は、電気車の上り方面と
下り方面の両切替セクションに対して個別に電力を供給
できる一対のインバータ本体とその制御回路と、前記異
電源の一方を電源として前記インバータ本体に直流電力
を供給できる1台のコンバータとしたことを特徴とする
請求項1〜4のいずれか1項に記載の交流電気鉄道の電
源設備。 - 【請求項6】 前記別電源装置は、変電所またはき電区
分所に設備される負荷平衡補償装置の双方向電力変換器
を直流電源とし、前記電圧と位相を制御して前記中セク
ションを走行中の電気車に電力を供給できるインバータ
電源装置としたことを特徴とする請求項1〜5のいずれ
か1項に記載の交流電気鉄道の電源設備。 - 【請求項7】 前記インバータ電源装置は、2重系の負
荷平衡補償装置の双方向電力変換器をそれぞれ直流電源
とし、電気車の上り方面と下り方面の両切替セクション
に対して個別に電力を供給できる双対のインバータ本体
とその制御回路としたことを特徴とする請求項6に記載
の交流電気鉄道の電源設備。 - 【請求項8】 前記別電源装置は、電気車から前記中セ
クションに回生される電力を吸収する手段を設けたこと
を特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の交流
電気鉄道の電源設備。 - 【請求項9】 前記切替セクションは、電気車の進行状
態に応じて両異電源と前記中セクション間を接続できる
一対のバックアップ用切替遮断器を設けたことを特徴と
する請求項1〜8のいずれか1項に記載の交流電気鉄道
の電源設備。
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JP2001344072 | 2001-11-09 | ||
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