JP2005119518A - 交流電気鉄道の電源設備 - Google Patents

Abstract

【課題】中セクションに別電源装置ＰＳを設けた電源設備において、電気車の通過時にエアセクションでのアーク発生を抑制する。
【解決手段】Ｍ座電源またはＴ座電源の電圧／位相に別電源の出力電圧／位相合わせができる電圧／位相合わせ制御機能Ａと、Ｍ座電源から別電源への電気車の負荷移行、および別電源からＴ座電源への電気車の負荷移行ができる負荷移行制御機能Ｃと、別電源の出力電流を抑制できる出力電流抑制制御機能Ｄとを設け、制御モード判定機能Ｂにより、電気車が切替セクションを通過するときに、Ｍ座電源と、入口側エアセクションと、中セクションと、出口側エアセクションおよびＴ座電源に対する電気車の走行位置を判定し、この位置判定に応じて電圧／位相合わせ制御と負荷移行制御および出力電流抑制制御を切替える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、新幹線などの交流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。

新幹線などの交流電気鉄道では、３相電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。

このようなトランスを設けた電気鉄道変電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。

この切替セクション構成と新幹線のパンタグラフの関係を図１１に示す。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にした中セクション（一般には１０００ｍ）の両端にエアセクション部Ｄ１，Ｄ２（一般には５０ｍ）を設け、エアセクション部Ｄ１，Ｄ２の両端と中セクション間に開閉器（切替遮断器）ＳＷ１，ＳＷ２を設けた構成である。なお、両エアセクション部Ｄ１，Ｄ２と中セクションとの突き合わせ部分は互いにオーバーラップした構造にされる。

この構成により、全車両が中セクション範囲内に到達するまでは、開閉器ＳＷ１を閉、開閉器ＳＷ２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を閉に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部の走行運転ができる。

上記の切替セクション構成において、切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２は、電気車の通過の度に電流を遮断しながら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。

また、切替遮断器の開閉サージは、投入位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。

以上のような課題を解決する方式として、図１２に基本構成を示すように、従来の切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２を省略し、中セクションには電圧と位相を制御した電力を供給できる別電源装置ＰＳを設けた電源設備を提案している（例えば、特許文献１参照）。

この電源設備では、別電源装置ＰＳは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電源（Ｍ座電源）」と同等の電圧と位相に合わせた制御をし、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電源（Ｔ座電源）」と同等の電圧と位相に合わせた制御をする。
特開２００３−２０５７７２

前記の特許文献１による切替セクションでは、電気車のパンタグラフが入口側エアセクション部を通過するときに、それまで電気車に電力を供給していた電源側（例えば、図１２ではＭ座電源）の変圧器やき電線路等に蓄えられた電気エネルギーを入口側エアセクションのエアギャップ部で消費することになり、入口側エアセクション部にアークが発生し、入口側エアセクション部を磨耗させる虞れがあった。

同様に、電気車のパンタグラフが出口側エアセクション部を通過するときに、電気車にそれまで電力を供給していた別電源装置ＰＳに出力電流遮断が発生し、その出力変圧器等に蓄えられた電気エネルギーで出口側エアセクション部にアークが発生し、出口側エアセクション部を磨耗させる虞れがあった。

本発明の目的は、上記の課題を解決した交流電気鉄道の電源設備を提供することにある。

（発明の原理的な説明）
本発明の電源設備は、図１に示す基本構成とし、別電源装置ＰＳには、切替セクションを電気車が通過するときに、異電源の電圧／位相に別電源の電圧／位相合わせを行う制御機能Ａの他に、電気車が切替セクションを通過するときの電気車位置判定を基に別電源の制御モード切り替えを行う切替機能Ｂと、別電源と異電源との間の負荷移行制御を行う制御機能Ｃ及び別電源の出力電流抑制制御を行う制御機能Ｄを設けることで、電気車が入口側および出口側エアセクション部を通過するときのアーク発生を抑制する。

ここで、新幹線等の電気車には各種のパンタグラフ構成があるが、基本的には図２に示す３種類に分類することができる。

・『１パンタグラフ方式』電気車のパンタグラフを一個で構成（図２のａ）。

・『パンタグラフが複数で、この間を接続した方式』電気車のパンタグラフが複数で構成され、それらの間が電気車の内部でケーブルにより接続される（図２のｂ）。

・『パンタグラフが複数で、この間を非接続にした方式』電気車のパンタグラフが複数で構成され、それらの間が接続されていない（図２のｃ）。

本発明は、上記のパンタグラフ方式の違いに応じて、別電源装置ＰＳでは電圧／位相合わせ制御と負荷移行制御及び出力電流抑制制御の各機能を切り替えることで、電気車が入口側エアセクションと中セクションおよび出口側エアセクションを通過するときのアーク発生を抑制する。以下、パンタグラフの構成別に図３〜図５で制御手順を説明する。なお、電気車はＭ座電源から切替セクションを走行してＴ座電源に進入する場合で説明する。

（Ａ）１パンタグラフ方式の制御手順（図３）
（Ｓ１，Ｓ２）「電気車が切替セクションの前方を走行しているとき」
電気車が入口側エアセクションに進入する前を制御モード切替機能Ｂで位置判定し、電圧／位相合わせ制御機能Ａで別電源の出力をＭ座電源と同等の電圧と位相に合わせる制御をする。

なお、電気車が切替セクションの前方に位置することの判定は、例えば、エアセクション入口直近に設置した変流器ＣＴの出力零で判断できる。

（Ｓ３，Ｓ４）「電気車のパンタグラフが入口側エアセクション部に進入したとき」
電気車のパンタグラフが入口側エアセクションに進入すると、Ｍ座電源と別電源が接続状態となり、これを制御モード切替機能Ｂで位置判定し、負荷移行制御機能Ｃで別電源の電圧と位相を制御し、Ｍ座電源の電流が「零」になるように、つまり、電気車の負荷を中セクションに接続される別電源に移行させる。

この負荷移行制御には、Ｍ座電源の位相に対して、別電源の位相を進めたり（電気車が力行時）、または遅らせたりする（電気車が回生時）。

なお、電気車が入口側エアセクションに入ったことの位置判定は、例えば、Ｍ座電源と別電源の電圧差と位相差またはエアセクション入口直近に設置した変流器ＣＴの出力等を監視していれば判断できる。すなわち、電圧差と位相差が所定値以下になり、ＣＴに出力が発生した場合に電気車が入口側エアセクションに入ったと判定できる。

（Ｓ５，Ｓ６）「電気車が入口側エアセクション部を抜け、完全に中セクションに入ったとき」
このときは、パンタグラフによる別電源とＭ座電源の並列接続が解除され、電気車は中セクションを走行している状態になり、これを制御モード切替機能Ｂで位置判定し、電圧／位相合わせ制御機能Ａで別電源の電圧と位相をＴ座電源に合わせ、中セクションの電気車に電力を供給すると共に、電気車がＴ座電源に進入するのに備える。

なお、電気車が完全に中セクションに入ったことの判定は、Ｍ座電源と別電源の電圧差と位相差、別電源の出力電流、入口側エアセクション入口直近のＣＴの出力、または電気車の位置検出装置などから判断できる。

（Ｓ７，Ｓ８）「電気車が出口側エアセクション部に入ったとき」
このときは、別電源がＴ座電源と並列接続され、これを制御モード切替機能で位置判定し、負荷移行制御機能で別電源の出力電圧と位相を制御し、電気車が出口側のエアセクションを抜ける前に別電源の出力が所定の電流以下になるようにして、Ｔ座電源に負荷を移行する。この負荷移行に代えて、別電源を停止して、中セクション出口側の電源に負荷移行することでもよい。

このときの位置判定には、例えば、別電源とＴ座電源との電圧差と位相差および出口側エアセクション部入口直近に設けたＣＴの出力から判別できる。

（Ｓ９）「電気車が出口側エアセクションを完全に抜けたとき」
このときは、別電源とＴ座電源との並列接続が解除されるため、別電源の電流が零になり、これを制御モード切替機能Ｂで位置判定し、手順（Ｓ１）に戻り、別電源は新たな電気車が進行してくる方向のＭ座電源と同等な電圧と位相に合わせておく。

（Ｂ）パンタグラフが複数で、この間を接続した方式の制御手順（図４）
（Ｓ１１，Ｓ１２）「電気車が切替セクションの前方を走行しているとき」
電気車の前方パンタグラフが入口側エアセクションに進入する前を制御モード切替機能Ｂで位置判定し、電圧／位相合わせ制御機能Ａで別電源の出力をＭ座電源と同等の電圧と位相に合わせる制御をする。

（Ｓ１３〜Ｓ１８）「電気車のパンタグラフが入口側エアセクション部に進入したとき」
このとき、パンタグラフ間隔がエアセクション距離よりも長い場合はパンタグラフ間隔長の関係で以下の３つのモードが順次発生する。なお、パンタグラフ間隔がエアセクション距離よりも短い場合は１パンタグラフ方式と同様の制御手順になる。

走行モード１「前方パンタグラフのみが入口側エアセクションに入る」
走行モード２「前方パンタグラフが入口側エアセクションを抜け、後方のパンタグラフが入口側エアセクションに到達していない」
走行モード３「後方パンタグラフが入口側エアセクションに入る」
走行モード１及び３は、例えば、入口側エアセクション直近に設けたＣＴの電流で位置判定ができるため、１パンタグラフ方式と同じ方法で別電源に負荷移行制御する（Ｓ１３，Ｓ１４、Ｓ１７，Ｓ１８）。

走行モード２は、複数パンタグラフが電気車の内部で接続しているため、入口側エアセクション部の入口直近に設けたＣＴを介さずに、前方パンタグラフ→電気車内接続ケーブル→後方パタンタグラフでＭ座電源と別電源が並列に接続される。この状態では前記ＣＴには電流が流れないのでＣＴの出力を利用した負荷移行制御はできない。

このため、前記電圧差と前記位相差が所定値以下となり前記ＣＴの出力が無いことを条件に、出力電流抑制制御機能Ｄにより、別電源の出力電流を所定レベル以下に制限する（Ｓ１５，Ｓ１６）。この制御で、電気車の負荷はＭ座電源に再び移行するが、このモード２での別電源の安定性は確保できる。

そして、前記ＣＴに再び電流が流れた時点、すなわちモード３に移った時点で１パンタグラフ方式と同様に負荷移行制御により、別電源に電気車の負荷を移行させ、電気車が入口側エアセクションを抜けるときにはＭ座電源の電流値を所定以下のレベルにして電気車を通過させることができる。

（Ｓ１９，Ｓ２０）「電気車が入口側エアセクション部を抜け、完全に中セクションに入ったとき」
このときは、１パンタグラフ方式と同様に、電圧／位相合わせ制御機能Ａで別電源の電圧と位相をＴ座電源に合わせ、中セクションの電気車に電力を供給すると共に、電気車がＴ座電源に進入するのに備える。

（Ｓ２１〜Ｓ２６）「電気車のパンタグラフが出口側エアセクション部に進入したとき」
このときは、入口側アエセクションを通過するときと同じような３つのモードが発生する。

走行モード１「前方パンタグラフのみが出口側エアセクション部に入る」
走行モード２「前方パンタグラフが出口側エアセクションを抜け、後方のパンタグラフが出口エアセクションに到達していない」
走行モード３「後方パンタグラフが出口側エアセクション部に入る」
走行モード１及び３は、１パンタグラフ方式と同様の方法で負荷移行制御を行う（Ｓ２１，Ｓ２２、Ｓ２５，Ｓ２６）。

走行モード２は、複数パンタグラフが電気車の内部で接続しているため、（Ｓ１５）と同じ理由からＣＴが検出できない状態で別電源とＴ座電源が接続状態となっている。

この位置状態は、制御モード切替機能Ｂが前記電圧差と前記位相差が所定値以下で、前記ＣＴの「零」等の条件から判断し、モード３が終了するまでは出力電流抑制制御機能Ｄにより別電源の出力電流が所定レベル以下になるように制限する（Ｓ２３，Ｓ２４）。なお、別電源をこの検出条件で停止させて負荷を進行方向の中セクション出口の電源に移行することでもよい。

（Ｓ２７）「電気車が出口側エアセクションを完全に抜けたとき」
このときは、別電源とＴ座電源との並列接続が解除されるため、別電源の電流が零になり、これを制御モード切替機能Ｂで位置判定し、手順（Ｓ１１）に戻り、別電源は新たな電気車が進行してくる方向のＭ座電源と同等な電圧と位相に合わせておく。

（Ｃ）パンタグラフが複数で、この間を非接続した方式の制御手順（図５）
（Ｓ３１，Ｓ３２）「電気車が切替セクションの前方を走行しているとき」
電気車の前方パンタグラフが入口側エアセクションに進入する前を制御モード切替機能Ｂで位置判定し、電圧／位相合わせ制御機能Ａで別電源の出力をＭ座電源と同等の電圧と位相に合わせる制御をする。

（Ｓ３３〜Ｓ３８）「電気車のパンタグラフが入口側エアセクション部に進入したとき」
このとき、複数パンタグラフの接続構成と同様に、パンタグラフ間隔長の関係で３つのモードが発生する。そして、走行モード１及び３は、例えば、入口側エアセクション直近に設けたＣＴの電流で位置判定ができるため、１パンタグラフ方式と同じ方法で別電源に負荷移行制御する（Ｓ３３，Ｓ３４、Ｓ３７，Ｓ３８）。

走行モード２では、複数パンタグラフが非接続で、前方のパンタグラフが、入口側エアセクション部を抜けた後に、後方のパンタグラフが入口側エアセクション部に入る。このため別電源は、前方パンタグラフが入口側エアセクション部を抜けた後も、後方パンタグラフが入口側エアセクション部に入るための制御が必要になる。

この状態の判定は、複数パンタグラフ接続構成における判定条件にさらに「入口側エアセクションを更に走行する後続車両の有無」を加える。この判定条件は「電気車位置検出装置」や「それまで電気車に電力を供給していた電源の電流の有無」等から判断することができる。

このモード２では別電源の出力をＭ座電源の電圧と位相に合わせる制御をかける（Ｓ３５，Ｓ３６）。これにより前方パンタグラフの負荷は別電源が供給し、後方パンタグラフはＭ座電源が供給する。このとき、別電源はＭ座電源の電圧と位相になっているため、後方のパンタグラフは無事に入口側エアセクションに突入することができる。

（Ｓ３９，Ｓ４０）「電気車が入口側エアセクション部を抜け、完全に中セクションに入ったとき」
このときは、１パンタグラフ方式と同様に、電圧／位相合わせ制御機能Ａで別電源の電圧と位相をＴ座電源に合わせ、中セクションの電気車に電力を供給すると共に、電気車がＴ座電源に進入するのに備える。

（Ｓ４１〜Ｓ４６）「電気車のパンタグラフが出口側エアセクション部に進入したとき」
このときは、電気車が入口側アエセクションを通過するときと同じように、３つのモードが発生し、前方パンタグラフが出口側エアセクション部を抜けた直後に、後方パンタグラフが出口側エアセクション部に入る。そして、走行モード１及び３は、例えば、出口側エアセクション直近に設けたＣＴの電流で位置判定ができるため、１パンタグラフ方式と同じ方法で別電源に負荷移行制御する（Ｓ４１，Ｓ４２、Ｓ４５，Ｓ４６）。

モード２では、電気車位置検出装置や別電源の出力電流等から「中セクションの後続車両の有無」を検出して後続車両がいる場合は別電源の出力を、中セクション出口側の電源に相当する電圧と位相に合うように制御をかける（Ｓ４３，Ｓ４４）。

これにより前方パンタグラフの負荷はＴ座電源が供給し、後方パンタグラフの負荷は別電源が供給し、さらに、別電源はＴ座電源の電圧と位相になっているため、後方パンタグラフは無事に出口側エアセクションに進入することができる。

（Ｓ４７）「電気車が完全に出口側エアセクション部を抜けたとき」
このときは別電源とＴ座電源との並列接続が解除されるため、別電源から供給する電力がなくなる。これにより中セクションの別電源は新たな電気車が進行してくる方向の電源と同等な電圧と位相に合わせる制御に戻る（Ｓ３１）。

（本発明の構成）
以上の制御機能および制御手順をもつ別電源装置とすることにより、本発明は、パンタグラフ構成の異なる電気車が切替セクションを通過する場合にも、それらに適応したアーク抑制を可能とするもので、以下の構成を特徴とする。

（１）異電源の突き合わせ箇所に、電気車の入口側エアセクションと出口側エアセクションの間に中セクションを有する切替セクションを備え、前記中セクションを走行する電気車に電力を供給できる別電源装置を設けた交流電気鉄道の電源設備において、
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、別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」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、別電源を「これから電気車に電力を供給する電源」と同等の電圧と位相に制御する電圧／位相合わせ制御を行い、
電気車のパンタグラフが前記入口側エアセクションに進入し、前記「それまで電気車に電力を供給していた電源」から電気車に供給する電流が遮断されるときに前記入口側エアセクションにアークが発生するのを抑制し、
電気車のパンタグラフが前記出口側エアセクションに進入し、別電源から電気車に供給する電流が遮断されるときに前記出口側エアセクションにアークが発生するのを抑制する、
制御手段を備えたことを特徴とする。

（２）前記制御手段は、
前記「それまで電気車に電力を供給していた電源」または「これから電気車に電力を供給する電源」の電圧／位相に別電源の電圧／位相合わせができる電圧／位相合わせ制御手段と、
前記「それまで電気車に電力を供給していた電源」から別電源への電気車の負荷移行、および別電源から「これから電気車に電力を供給する電源」への電気車の負荷移行ができる負荷移行制御手段と、
別電源の出力電流を抑制できる出力電流抑制制御手段と、
電気車が切替セクションを通過するときに、前記「それまで電気車に電力を供給していた電源」と、前記入口側エアセクションと、中セクションと、出口側エアセクションおよび「これから電気車に電力を供給する電源」に対する電気車の走行位置を判定し、この位置判定に応じて別電源の制御を前記電圧／位相合わせ制御手段と負荷移行制御手段および出力電流抑制制御手段に切替える制御モード切替手段とを備えたことを特徴とする。

（３）前記制御モード切替手段は、
１つのパンタグラフで集電する電気車が前記入口側エアセクションの前方を走行しているとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に合わせ、
電気車のパンタグラフが入口側エアセクションに進入したとき、前記負荷移行制御手段で「それまで電気車に電力を供給していた電源」の電流をほぼ零にし、
電気車が入口側エアセクションを抜け、完全に中セクションに入ったとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源の電圧と位相を「これから電気車に電力を供給する電源」に合わせ、
電気車が出口側エアセクションに入ったとき、前記負荷移行制御手段で別電源の電流をほぼ零にし、
電気車が出口側エアセクションを完全に抜けたとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に戻すことを特徴とする。

（４）前記制御モード切替手段は、
複数のパンタグラフ間を互いに接続して集電する電気車が前記入口側エアセクションの前方を走行しているとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に合わせ、
電気車の前方パンタグラフのみが入口側エアセクションに入ったとき、または電気車の後方パンタグラフが入口側エアセクションに入ったとき、前記負荷移行制御手段で「それまで電気車に電力を供給していた電源」の電流をほぼ零にし、
電気車の前方パンタグラフが入口側エアセクションを抜け、後方のパンタグラフが入口側エアセクションに到達していないとき、前記出力電流抑制制御手段により、別電源の出力を所定電流以下に抑制し、
電気車が入口側エアセクション部を抜け、完全に中セクションに入ったとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源の電圧と位相を「これから電気車に電力を供給する電源」に合わせ、
電気車のパンタグラフが出口側エアセクションに進入したとき、または電気車の後方パンタグラフが出口側エアセクションに入ったとき、前記負荷移行制御手段で別電源の出力電流をほぼ零にし、
電気車の前方パンタグラフが出口側エアセクションを抜け、後方のパンタグラフが出口側エアセクションに到達していないとき、前記出力電流抑制制御手段により、別電源の出力を所定電流以下に抑制し、
電気車が出口側エアセクションを完全に抜けたとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に戻すことを特徴とする。

（５）前記制御モード切替手段は、
複数のパンタグラフ間を互いに非接続で集電する電気車が前記入口側エアセクションの前方を走行しているとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に合わせ、
電気車の前方パンタグラフのみが入口側エアセクションに入ったとき、または電気車の後方パンタグラフが入口側エアセクションに入ったとき、前記負荷移行制御手段で「それまで電気車に電力を供給していた電源」の電流をほぼ零にし、
電気車の前方パンタグラフが入口側エアセクションを抜け、後方のパンタグラフが入口側エアセクションに到達していないとき、前記電圧／位相合わせ制御手段により、別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に合わせ、
電気車が入口側エアセクション部を抜け、完全に中セクションに入ったとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源の電圧と位相を「これから電気車に電力を供給する電源」に合わせ、
電気車のパンタグラフが出口側エアセクションに進入したとき、または電気車の後方パンタグラフが出口側エアセクションに入ったとき、前記負荷移行制御手段で別電源の出力電流をほぼ零にし、
電気車の前方パンタグラフが出口側エアセクションを抜け、後方のパンタグラフが出口側エアセクションに到達していないとき、前記電圧／位相合わせ制御手段により、別電源を「これから電気車に電力を供給する電源」と同等の電圧と位相に合わせ、
電気車が出口側エアセクションを完全に抜けたとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に戻すことを特徴とする。

（６）前記別電源装置は、前記異電源の一方を入力電源とし、前記電圧／位相合わせ制御と負荷移行制御および出力電流抑制制御手段を有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。

（７）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を設け、出力電圧と位相および電流を制御できる別電源の出力を前記トランスと直列接続し、これらトランスの出力と別電源の出力の合成出力を前記中セクションに供給することを特徴とする。

（８）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、前記電圧と位相および電流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。

（９）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。

（１０）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。

以上のとおり、本発明によれば、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制御と位相制御により、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ができ、更に負荷移行制御等の機能で電気車がエアセクション部を走行中に進行方向の電源に負荷移行ができるため、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、開閉サージの課題や、特開２００３−２０５７７２におけるアーク発生でエアセクション部が磨耗する問題を解決できる。

（実施形態１）
図１の別電源装置ＰＳとして、別電源をインバータ電源装置とした場合の実施形態を図６に示す。なお、セクションで突き合わせるトロリー線の異電源はＭ座電源とＴ座電源とする。

インバータ電源装置は、ＩＧＢＴ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、電圧形のインバータ部１とコンバータ部２で構成する。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。

電圧変成器ＰＴ１はＭ座電源の電圧と位相を検出し、変流器ＣＴ１は入口側エアセクション直近に設けられてＭ座電源の電流検出およびこの電流の有無による電気車の位置判定に利用する。電圧変成器ＰＴ２はＴ座電源の電圧と位相を検出し、変流器ＣＴ２は出口側エアセクションの直近で中セクション側に設けられてインバータ部１の電流検出および電気車の位置判定に利用する。

インバータ部１の制御回路４は、演算制御回路４Ａ、制御モード切替回路４Ｂ、電圧／位相合わせ制御回路４Ｃ、負荷移行制御回路４Ｄ、出力電流抑制制御回路４Ｅ、インバータ出力制御回路４Ｆで構成する。これらの制御回路は以下の制御機能を設ける。

演算制御回路４Ａは、Ｍ座側とＴ座側の電圧、インバータ部１の出力電圧／電流及び入口・出口側のエアセクション直近に設けたＣＴの出力等から、インバータ部１を電圧／位相合わせ制御、負荷移行制御、出力電流抑制制御するために必要な切替セクション側の電圧、位相、電流を求める。

制御モード切替回路４Ｂは、図１の制御モード切替機能Ｂに相当し、Ｍ座側とＴ座側の電圧、インバータ部１の出力電圧／電流及び入口・出口側のエアセクション直近に設けたＣＴの出力等から電気車の走行位置を判断して、必要な制御モード（電圧／位相合わせ制御、負荷移行制御、出力電流抑制制御）を切替える。

電圧／位相合わせ制御回路４Ｃは、図１の電圧／位相合わせ制御機能Ａに相当し、演算制御回路４Ａに得るＭ座電源またはＴ座電源の電圧と位相の検出信号で、インバータ１の交流出力がこれらの電圧と位相指令に合うような制御信号を出力する。

負荷移行制御回路４Ｄは、図１の負荷移行制御機能Ｃに相当し、演算制御回路４Ａに得るエアセクション部の負荷電流を検出信号とし、この電流が進行方向の電源に移行するように、インバータ部１の交流出力の電圧と位相の制御を行う。

出力電流抑制制御回路４Ｅは、図１の出力電流抑制制御機能Ｄに相当し、演算制御回路４Ａにエアセクション部の負荷電流検出ができないとき（電気車の複数パンタグラフがアエセクションを跨いだ走行状態で、入口・出口側のエアセクション直近に設けたＣＴの出力が検出できないとき）、インバータ部１の出力を安定させるよう出力電流抑制（リミッタ）制御をする。

インバータ出力制御回路４Ｆは、制御モード切替回路４Ｂの位置検出信号に従って制御回路４Ｃ〜４Ｅの出力を選択し、この選択出力に従ってインバータ部１のスイッチング素子のゲート制御出力を得る。

以上の構成による別電源装置の制御を説明する。なお、電気車は、複数のパンタグラフ構成とし、パンタグラフ間が電気車側で接続された場合で説明する。

まず、電気車がＭ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は、制御回路４は、インバータ部１の電圧／位相をＭ座電源のそれに合わせておく。この制御には、制御モード切替回路４Ｂは電圧／位相合わせ制御回路４Ｃの選択指令を発生しておき、演算制御回路４ＡによりＭ座電源の位相と電圧を検出し、電圧／位相合わせ制御回路４Ｃではこれら検出信号に合わせた電圧と位相をもつインバータ出力信号を発生し、インバータ出力制御回路４Ｆによるインバータ部１の電圧／位相制御でなされる。

次に、電気車が入口側エアセクションを通過するときには、制御回路４は前記のモード１では電気車の負荷電流を別電源装置ＰＳに移行制御し、モード２ではインバータ部１の出力電流抑制制御をし、モード３では再び負荷移行制御を行う。この制御には、制御モード切替回路４Ｂは入口側エアセクションと電気車のパンタグラフ位置の移行に応じて、負荷移行制御回路４Ｄと出力電流抑制制御回路４Ｅの切替指令を発生する。

次に、電気車が完全に中セクションに入ったとき（電気車の最後尾のパンタグラフが中セクションに入ったとき）、制御回路４は、インバータ部１の出力をＴ座電源側の電圧と位相に合わせる制御を行い、電気車が出口側のエアセクションに到達する前に、この制御を完了させておく。この制御には、電圧／位相合わせ制御回路４Ｃによる制御でなされる。

次に、電気車が出口側エアセクションを通過するときには、制御回路４は、前記のモード１では電気車の負荷電流をインバータ部１に移行制御し、モード２ではインバータ部１の出力電流抑制制御をし、モード３では再び負荷移行制御を行う。この制御には、制御モード切替回路４Ｂは入口側エアセクションと電気車のパンタグラフ位置の移行に応じて、負荷移行制御回路４Ｄと出力電流抑制制御回路４Ｅの切替指令を発生する。

次に、電気車が出口側エアセクションを完全に抜けたとき（電気車の最後尾のパンタグラフが中セクションを抜けたとき）、制御回路４は、次の電気車の進入に備えて、インバータ部１の電圧／位相をＭ座電源の電圧と位相に合わせる制御を行う。この制御には、電圧／位相合わせ制御回路４Ｃの選択とその制御でなされる。

以上の制御機能により、電気車が完全に中セクションに入るとき、および電気車が完全に中セクションから抜け出るときに、すなわち、電気車の最後尾パンタグラフが入口側エアセクションを抜けるとき、および出口側エアセクションを抜けるときに、電気車の負荷電流は進行方向の電源に移っているため、電気車が通過するときにエアセクション部にアークが発生するのを抑制でき、エアセクションの劣化を防止できる。

同様に、電気車のパンタグラフ構成が複数パンタグラフでその間を非接続としたもの、または１パンタグラフ構成の場合は前記の図５または図３の制御手順により、エアセクション部にアークが発生するのを抑制でき、エアセクションの劣化を防止できる。

なお、電気車が中セクションに入って、出口側のエアセクションに到達するまでのインバータ部の電圧／位相合わせ制御は、電気車のモータ制御装置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、電気車が完全に中セクションに入って、出口側のエアセクションに達するまでの時間から割り出して１秒程度で徐々に変化させるのが好ましい。

（実施形態２）
本実施形態は、図６の別電源として、インバータ電源装置とトランスを用いた場合を図７の（ａ）に示す。

インバータ電源装置１１は、図６の場合と同様の構成要素（１，２，４）を有して単相出力を得、出力トランス１２の二次側に出力する。トランス１３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１４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１２〜１４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。

この構成において、トランス１３と１４の二次出力には、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７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。

一方、インバータ電源装置１１は、Ｍ座電源またはＴ座電源の電圧を基準位相とし、制御指令で電圧が零から１／√２、位相が零から１８０度制御できる出力Ｖｉｎｖを得る。

この出力Ｖｉｎｖをトランス１２に得ることで、トランス１２〜１４の合成出力は、図７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、Ｖｉｎｖの出力の電圧と位相を制御することで合成電圧（Ｖｍｔ＋Ｖｉｎｖ）のベクトル軌跡はＭ座電源からＴ座電源に相当する電圧と位相に制御する事ができる。同様に、電圧と位相制御による負荷移行制御と出力電流抑制制御ができる。

本実施形態は、実施形態１と同様の作用効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。

（実施形態３）
本実施形態は、図６の別電源装置ＰＳとして、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８に示す。

インバータ電源装置は、図６の場合と同様にインバータ本体１とコンバータ２や制御回路４などの構成要素（１〜４）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、および負荷移行制御、出力電流抑制制御をする。大容量キャパシタ１５は、電解コンデンサ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。

本実施形態によれば、インバータ電源装置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１４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１４に小電流で充電しておくことができる。

そして、インバータ電源装置が中セクショ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１４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。

なお、本実施形態の構成は、図７に示すインバータ電源装置１１に適用することができる。

（実施形態４）
本実施形態は、図６の別電源装置ＰＳとして、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９に示す。

図９に示すインバータ電源装置は、上り方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。

本実施形態において、インバータ本体１Ａ，１Ｂの制御は前記までの実施形態と同様にされ、制御回路４ａ，４ｂによる電圧／位相制御、負荷移行制御および出力電流抑制制御を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。

本実施形態のメリットは、コンバータ２の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。

なお、コンバータ２の電源は、片方面のき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。

また、本実施形態において、インバータ電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。

（変形例１）
以上までの実施形態においては、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ＰＳ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虞れがある。この別電源装置ＰＳの機能喪失時の対策として、図１０に示すように、切替セクションには別電源装置ＰＳに加えて、バックアップ用の切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２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ＰＳの不具合時に切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２による電源切替えを可能にする。

この場合、切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２は、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。

（変形例１Ａ）
図１０において、主回路構成を切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２と中セクション電源のハイブリッド方式にして遮断器は従来と同じ動作をさせ（但し、ＳＷ１，ＳＷ２の切替時間は従来の３００ｍｓより長く１秒程度にする）、中セクションの別電源装置は図６等の制御機能をもたせると、遮断器は中セクションの別電源装置の電圧／位相合わせ制御により、セクション突入時の投入電流が発生する問題が無くなり、中セクションの負荷移行制御機能で、負荷電流を遮断することが無いため、遮断器の寿命上の問題が解決できる。

更に、中セクションの別電源は電気車が入口側エアセクション部に突入したときから、出口側の遮断器が投入するまでの極単時間の容量とすることができる。

（変形例２）
以上までの実施形態において、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。この対策として、インバータ部の直流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１４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ことができる。

本発明の基本構成図。 本発明におけるセクション切り替えと電気車のパンタグラフの種類の関係図。 本発明の制御手順（１パンタグラフ）。 本発明の制御手順（複数パンタグラフが接続）。 本発明の制御手順（複数パンタグラフが非接続）。 本発明の実施形態１を示す構成図。 本発明の実施形態２を示す構成図。 本発明の実施形態３を示す構成図。 本発明の実施形態４を示す構成図。 本発明の実施形態５を示す構成図。 現在の新幹線用の切替セクションの構成図。 従来の電源設備の基本構成図。

符号の説明

ＰＳ 別電源装置
ＳＷ１，ＳＷ２ 切替遮断器
１，１Ａ，１Ｂ インバータ本体
２ コンバータ
４ 制御回路
４Ａ 演算制御回路
４Ｂ 制御モード切替回路
４Ｃ 電圧／位相合わせ制御回路
４Ｄ 負荷移行制御回路
４Ｅ 出力電流抑制制御回路
４Ｆ インバータ出力制御回路
１１ インバータ電源装置
１２〜１４ トランス
１５ 大容量キャパシタ

Claims (10)

1. 異電源の突き合わせ箇所に、電気車の入口側エアセクションと出口側エアセクションの間に中セクションを有する切替セクションを備え、前記中セクションを走行する電気車に電力を供給できる別電源装置を設けた交流電気鉄道の電源設備において、
   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、別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」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、別電源を「これから電気車に電力を供給する電源」と同等の電圧と位相に制御する電圧／位相合わせ制御を行い、
   電気車のパンタグラフが前記入口側エアセクションに進入し、前記「それまで電気車に電力を供給していた電源」から電気車に供給する電流が遮断されるときに前記入口側エアセクションにアークが発生するのを抑制し、
   電気車のパンタグラフが前記出口側エアセクションに進入し、別電源から電気車に供給する電流が遮断されるときに前記出口側エアセクションにアークが発生するのを抑制する、
   制御手段を備えたことを特徴とする交流電気鉄道の電源設備。
2. 前記制御手段は、
   前記「それまで電気車に電力を供給していた電源」または「これから電気車に電力を供給する電源」の電圧／位相に別電源の電圧／位相合わせができる電圧／位相合わせ制御手段と、
   前記「それまで電気車に電力を供給していた電源」から別電源への電気車の負荷移行、および別電源から「これから電気車に電力を供給する電源」への電気車の負荷移行ができる負荷移行制御手段と、
   別電源の出力電流を抑制できる出力電流抑制制御手段と、
   電気車が切替セクションを通過するときに、前記「それまで電気車に電力を供給していた電源」と、前記入口側エアセクションと、中セクションと、出口側エアセクションおよび「これから電気車に電力を供給する電源」に対する電気車の走行位置を判定し、この位置判定に応じて別電源の制御を前記電圧／位相合わせ制御手段と負荷移行制御手段および出力電流抑制制御手段に切替える制御モード切替手段とを備え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。
3. 前記制御モード切替手段は、
   １つのパンタグラフで集電する電気車が前記入口側エアセクションの前方を走行しているとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に合わせ、
   電気車のパンタグラフが入口側エアセクションに進入したとき、前記負荷移行制御手段で「それまで電気車に電力を供給していた電源」の電流をほぼ零にし、
   電気車が入口側エアセクションを抜け、完全に中セクションに入ったとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源の電圧と位相を「これから電気車に電力を供給する電源」に合わせ、
   電気車が出口側エアセクションに入ったとき、前記負荷移行制御手段で別電源の電流をほぼ零にし、
   電気車が出口側エアセクションを完全に抜けたとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に戻すことを特徴とする請求項２に記載の交流電気鉄道の電源設備。
4. 前記制御モード切替手段は、
   複数のパンタグラフ間を互いに接続して集電する電気車が前記入口側エアセクションの前方を走行しているとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に合わせ、
   電気車の前方パンタグラフのみが入口側エアセクションに入ったとき、または電気車の後方パンタグラフが入口側エアセクションに入ったとき、前記負荷移行制御手段で「それまで電気車に電力を供給していた電源」の電流をほぼ零にし、
   電気車の前方パンタグラフが入口側エアセクションを抜け、後方のパンタグラフが入口側エアセクションに到達していないとき、前記出力電流抑制制御手段により、別電源の出力を所定電流以下に抑制し、
   電気車が入口側エアセクション部を抜け、完全に中セクションに入ったとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源の電圧と位相を「これから電気車に電力を供給する電源」に合わせ、
   電気車のパンタグラフが出口側エアセクションに進入したとき、または電気車の後方パンタグラフが出口側エアセクションに入ったとき、前記負荷移行制御手段で別電源の出力電流をほぼ零にし、
   電気車の前方パンタグラフが出口側エアセクションを抜け、後方のパンタグラフが出口側エアセクションに到達していないとき、前記出力電流抑制制御手段により、別電源の出力を所定電流以下に抑制し、
   電気車が出口側エアセクションを完全に抜けたとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に戻すことを特徴とする請求項２に記載の交流電気鉄道の電源設備。
5. 前記制御モード切替手段は、
   複数のパンタグラフ間を互いに非接続で集電する電気車が前記入口側エアセクションの前方を走行しているとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に合わせ、
   電気車の前方パンタグラフのみが入口側エアセクションに入ったとき、または電気車の後方パンタグラフが入口側エアセクションに入ったとき、前記負荷移行制御手段で「それまで電気車に電力を供給していた電源」の電流をほぼ零にし、
   電気車の前方パンタグラフが入口側エアセクションを抜け、後方のパンタグラフが入口側エアセクションに到達していないとき、前記電圧／位相合わせ制御手段により、別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に合わせ、
   電気車が入口側エアセクション部を抜け、完全に中セクションに入ったとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源の電圧と位相を「これから電気車に電力を供給する電源」に合わせ、
   電気車のパンタグラフが出口側エアセクションに進入したとき、または電気車の後方パンタグラフが出口側エアセクションに入ったとき、前記負荷移行制御手段で別電源の出力電流をほぼ零にし、
   電気車の前方パンタグラフが出口側エアセクションを抜け、後方のパンタグラフが出口側エアセクションに到達していないとき、前記電圧／位相合わせ制御手段により、別電源を「これから電気車に電力を供給する電源」と同等の電圧と位相に合わせ、
   電気車が出口側エアセクションを完全に抜けたとき、前記電圧／位相合わせ制御手段で別電源を「それまで電気車に電力を供給していた電源」と同等の電圧と位相に戻すことを特徴とする請求項２に記載の交流電気鉄道の電源設備。
6. 前記別電源装置は、前記異電源の一方を入力電源とし、前記電圧／位相合わせ制御と負荷移行制御および出力電流抑制制御手段を有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。
7. 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を設け、出力電圧と位相および電流を制御できる別電源の出力を前記トランスと直列接続し、これらトランスの出力と別電源の出力の合成出力を前記中セクションに供給する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。
8. 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、前記電圧と位相および電流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。
9. 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１〜８のいずれか１項に記載の交流電気鉄道の電源設備。
10. 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１〜９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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