JP2008067553A - 車両用給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ある給電区分の補助電源装置が故障した時、運転を停止することなく、復旧を行うことができ、また、延長給電用接触器を設ける必要もない。
【解決手段】例えば同期信号選択スイッチ１１１Ａを“閉”にして、インバータ周波数発生器１１３Ａから出力される同期信号（所定の周波数信号）を、ＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａ、及び同期信号線ｓｎを介してＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ｂへ入力させ、ＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａ，１０２Ｂの出力を同期させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用補助電源装置を複数用いた車両用給電システムに関する。

車両用補助電源装置は、電車駆動システムを構成するＡＣ／ＤＣコンバータやＶＶＶＦインバータ、車両制御機器等に電源を供給する役割を持つ為、高い信頼性が要求される。補助電源装置が故障すると、この補助電源装置により制御電源を供給されている上記ＡＣ／ＤＣコンバータやＶＶＶＦインバータは動作しなくなり、これらにより駆動される車両は自力で走行できなくなる。また、これより、給電される車両シーケンス回路は動作不能となり電車は事故停止する。この為、補助電源装置は勿論のこと、編成車両全体での給電システム（複数の補助電源装置から成る給電システム）としても高い信頼性が保証されなければならない。

この為に、編成車両内に複数の補助電源装置を置き、ある補助電源装置が故障した時、この故障した補助電源装置（故障電源装置と呼ぶ）を切り離し、他の健全な補助電源装置から故障電源装置に繋がる負荷分まで電源を供給するといった、冗長性を持った給電システムが、一般的に採用されている。

この様な冗長性を持った給電システムの従来技術として、例えば、編成車両の各給電区分毎に補助電源装置を設置し、そのうちの一台の補助電源装置が故障したとき、この故障電源装置を切り離すと共に全体の負荷を軽減（例えば半減）したうえで、給電区分間に設けられる延長給電用接触器を閉として、健全な補助電源装置から故障電源装置の負荷に給電する延長給電方式が、一般に採用されている。例えば、特許文献１に、この様な延長給電方式の一例が開示されている。

図３に、上記延長給電方式に係わる従来の給電システムの一例を示す。図示の例は、給電区分ＡとＢから成る延長給電方式を示す。
給電区分Ａには補助電源装置１００Ａ、給電区分Ｂには補助電源装置１００Ｂが設けられており、給電区分Ａ−Ｂ間には延長給電用接触器１３ＡＢが設けられており、補助電源装置１００Ａ，１００Ｂの何れか一方が故障した時、上記の通り、延長給電用接触器１３ＡＢを閉とする。つまり、通常時には、交流電源線ａｃは、各給電区分毎に分離されており、異常時に共通化される。

補助電源装置１００Ａ，１００Ｂは、主電源電圧（直流車両では直流電源電圧、交流車両では主変圧器の３次巻線電圧）を電源電圧入力Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂより受け、内部で低圧の制御電源に変換する。補助電源装置の内部構成は略同一であり、ここでは代表して補助電源装置１００Ａについて説明すると、補助電源装置１００Ａは、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１Ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａを有する。そして、例えば、主電源Ａから入力される上記直流電源電圧又は３次巻線電圧を、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１Ａによって例えばＤＣ１００Ｖ（ボルト）の直流電圧に変換する。そして、このＤＣ１００Ｖ（ボルト）の直流電圧は、直流電圧出力ｖ２Ａから直流電源線ｄｃへ出力されると共にＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａに入力される。

ＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａは、このＤＣ１００Ｖ（ボルト）の直流電圧を、例えばＡＣ１００Ｖ・６０Ｈｚの交流電圧に変換して、交流電圧出力ｖ３Ａより交流電源線ａｃへ、この単相ＡＣ１００Ｖ（ボルト）の交流電圧を出力する。

これは、上記の通り、補助電源装置１００Ｂも同様であり、例えば、直流電圧出力ｖ２ＢからＤＣ１００Ｖ（ボルト）の直流電圧が出力され、交流電圧出力ｖ３ＢからＡＣ１００Ｖ（ボルト）の交流電圧が出力される。

直流電圧出力ｖ２Ａ、ｖ２Ｂは、直流電源用接触器１１Ａ，１１Ｂを介して、直流電源線ｄｃに接続される。補助電源装置１００Ａ、１００Ｂの直流出力電圧は、夫々、負荷電流による適当な垂下特性が付けられ、直流電源線ｄｃへの負荷電流バランスが取られている。直流電源線ｄｃには、給電区分Ａ，Ｂに共通の負荷として、バッテリー２Ａ，２Ｂ、直流定常負荷３Ａ、３Ｂ、及び直流非定常負荷３１Ａ、３１Ｂが接続されている。直流非定常負荷３１Ａ、３１Ｂは、それぞれ、直流非定常負荷用接触器１４Ａ、１４Ｂを介して、直流電源線ｄｃに接続される。直流非定常負荷用接触器１４Ａ、１４Ｂは、通常は“閉”状態となっている。直流定常負荷３Ａ、３Ｂは、例えば各機器の制御装置、非常灯等である。直流非定常負荷３１Ａ、３１Ｂは、例えば、一部のヒータ等である。

交流電圧出力ｖ３Ａ、ｖ３Ｂは、交流電源用接触器１２Ａ，１２Ｂを介して、交流電源線ａｃに接続される。但し、通常は延長給電用接触器１３ＡＢは“開”状態であるので、交流電源線ａｃは、延長給電用接触器１３ＡＢによって、図示の給電区分Ａと給電区分Ｂとに分離されているので、給電区分Ａにおける交流電源線ａｃを交流電源線ａｃＡ、給電区分Ｂにおける交流電源線ａｃを交流電源線ａｃＢと記すものとする。

従って、交流電圧出力ｖ３Ａは、交流電源用接触器１２Ａを介して、交流電源線ａｃＡに接続される。交流電圧出力ｖ３Ｂは、交流電源用接触器１２Ｂを介して、交流電源線ａｃＢに接続される。そして、各給電区分毎に交流負荷に給電される。すなわち、給電区分Ａにおいては交流定常負荷４Ａと交流非定常負荷４１Ａに給電され、給電区分Ｂにおいては交流定常負荷４Ｂと交流非定常負荷４１Ｂに給電される。尚、交流非定常負荷４１Ａ，４１Ｂは、夫々、交流非定常負荷用接触器１５Ａ、１５Ｂを介して、交流電源線ａｃＡ、ａｃＢに接続される。交流非定常負荷用接触器１５Ａ、１５Ｂは、通常は“閉”状態となっている。

交流定常負荷４Ａ，４Ｂは、例えば室内灯等である。交流非定常負荷４１Ａ，４１Ｂは、例えば各種ファン、ヒータ等である。
ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１Ａ及びＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａの駆動電源は、上記バッテリー２Ａ，２Ｂでバックアップされた直流電源線ｄｃから給電される。これは、図示の通り、直流電源線ｄｃが接続される制御電源入力ｃｎＡを介して、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１Ａ及びＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａに給電される。これは、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１Ｂ及びＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ｂに関しても同様である。

以下、上記補助電源装置１００Ａ，１００Ｂのどちらかが故障した場合の冗長機能について説明する。
仮に補助電源装置１００Ｂが故障した場合、補助電源装置１００Ｂの故障信号出力ｆｔＢから故障信号ＦＴＢが出力されて運転席に故障表示される（これより運転手は車両の運転を停止する。あるいは自動で停止する）。続いて、直流電源用接触器１１Ｂと交流電源用接触器１２Ｂが“開”状態とされ、これによって補助電源装置１００Ｂは給電システムから切り離される。更に、直流非定常負荷用接触器１４Ａ、１４Ｂ及び交流非定常負荷用接触器１５Ａ、１５Ｂが“開”状態とされ、負荷軽減される。次に、延長給電用接触器１３ＡＢが“閉”状態とされ、補助電源装置１００Ａによる延長給電経路が確立される。

以上で車両は運転可能状態に戻り、補助電源装置１００Ａによって給電区分ＡとＢの定常負荷には給電され、運転は継続される。
尚、延長給電用接触器１３ＡＢは、手動又は自動で開閉操作される。それ以外の他の各接触器も、手動で開閉操作されてもよいし、自動で開閉制御される構成であってもよい。各種接触器を自動で開閉制御する構成は、一般的な技術であるので、特に図示・説明しない。
特許第３１５０１６１号公報

冗長性を持った給電方式の上記従来技術では、以下の問題があった。
（１）複数の給電区分の夫々に設置された補助電源装置のうち、ある給電区分の補助電源装置が故障した時、一旦車両を停止して、故障電源装置を給電システムから切り離すと共に負荷軽減した後、延長給電用接触器を投入する必要がある為、復旧時間が掛かり、車両の走行運転工程に影響を及ぼす。

鉄道車両の場合、１つの給電区分でも電源供給停止状態となってしまうと、その場で運転を停止する。運転を再開する為には、自動／手動に係わらず、延長給電用接触器１３ＡＢ以外の各接触器の開放を行い（故障装置の切り離し、及び負荷軽減の為）、更に手動又は自動で延長給電用接触器１３ＡＢの投入を行う必要があり、それまで車両は停止することとなる。

（２）健全な給電区分の補助電源装置から、故障電源装置が設置された給電区分にある負荷に給電できるようにする為に、交流電源線には給電区分間に延長給電用接触器１３ＡＢを設ける必要があった。

本発明の課題は、複数の給電区分の夫々に設置された補助電源装置のうち、ある給電区分の補助電源装置が故障した時、運転を停止することなく、復旧を行うことができ、延長給電用接触器を設ける必要もない、車両用補助電源装置を複数用いた車両用給電システムを提供することである。

本発明の車両用給電システムは、主電源電圧を入力して低圧の直流電圧に変換するコンバータ回路と低圧の交流電圧に変換するインバータ回路を有する補助電源装置を、編成車両の各給電区分毎に搭載して成る車両用給電システムにおいて、直流電源線と交流電源線と、前記各インバータ回路が接続される同期信号線と、前記各補助電源装置毎に対応して設けられる、該補助電源装置と前記直流電源線及び交流電源線との接続／分離を行う第１の開閉手段と、直接又は前記同期信号線を介して、前記各インバータ回路に対して、任意の周波数指令信号を送信することで、全てのインバータ回路が同期して前記交流電圧を出力するようにするインバータ周波数発生手段と、前記直流電源線、前記交流電源線にそれぞれ接続されている各種負荷の一部を、該直流電源線、前記交流電源線と接続／分離する第２の開閉手段とを有し、前記各補助電源装置のうちの１台が故障したとき、前記第１の開閉手段によって該故障した補助電源装置を分離すると共に、前記第２の開閉手段によって前記各種負荷の一部を分離する。

上記構成の車両用給電システムは、インバータ周波数発生手段と同期信号線を設けたことにより、交流電源線も常時共有化でき、任意の給電区分の補助電源装置が故障した時にも、他の給電区分の補助電源装置から給電されるので、運転を停止することなく、当該故障した装置の分離、及び負荷の一部の分離（負荷軽減）を行うことができる。勿論、延長給電用接触器は必要なくなる。

また、上記車両用給電システムにおいて、例えば、前記各インバータ回路は、無負荷時の電圧と垂下特性が略同一であるようにしている。これによって、交流電源線への各インバータ回路の出力電流は、相互にバランスが取れた値となる。

本発明の車両用補助電源装置を複数用いた車両用給電システムによれば、複数の給電区分の夫々に設置された補助電源装置のうち、ある給電区分の補助電源装置が故障した時、運転を停止することなく、復旧を行うことができ、また、延長給電用接触器を設ける必要もない。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態における補助電源装置を複数用いた車両用給電システムの一例を示すブロック図である。

図１において上述した図３の給電回路における構成要素と同一の構成要素には同一符号を付してあり、ここでの説明は省略する。
図１に示す給電回路では、上記図３に示す直流電源線ｄｃ、交流電源線ａｃに加えて、更に同期信号線ｓｎを設けてある。更に、各補助電源装置１Ａ、１Ｂには、上記従来の構成に加えて、それぞれ更に、同期信号選択スイッチ１１１Ａ，１１１Ｂと、信号線１１２Ａ、１１２Ｂと、インバータ周波数発生器１１３Ａ、１１３Ｂが設けられている。そして、延長給電用接触器１３ＡＢは必要なくなっている。

ここで、本例では給電区分は２つのみ示し、それ故、補助電源装置は２台のみ示すが、この例に限らず、給電区分は３つ以上あってよいし、給電区分の数だけ補助電源装置が設置される。そして、複数の補助電源装置のうちの１台を、マスタ装置とする。図示の例では、補助電源装置は２台のみなので、補助電源装置１Ａ、１Ｂの何れか一方をマスタ装置とする。マスタ装置の同期信号選択スイッチ１１１は“閉状態”、マスタ装置以外の全ての補助電源装置の同期信号選択スイッチ１１１は“開状態”とする。ここでは、補助電源装置１Ａをマスタ装置とした場合を例にして説明する。従って、補助電源装置１Ｂの同期信号選択スイッチ１１１Ｂを“開状態”とし、補助電源装置１Ａの同期信号選択スイッチ１１１Ａを“閉状態”とすることで、インバータ周波数発生器１１３Ａから出力される同期信号（インバータの出力周波数の指令信号）が、信号線１１２Ａを介してＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａ（ＶＶＶＦ(可変電圧・可変周波数；variable voltage, variable frequency）インバータ）に入力されると共に、同期信号線ｓｎと信号線１１２Ｂを介してＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ｂに入力される。上記同期信号は、例えば上記出力周波数と同一の周波数の信号等である。

これより、インバータ周波数発生器１１３Ａから出力される同期信号によって、ＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ｂは、ＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａに同期した（同じ周波数・タイミングの）交流電圧を出力するようになる。従って、交流電源線ａｃを分離する必要はなく、延長給電用接触器１３ＡＢは必要なくなっている。

ＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａ、１０２Ｂの出力電圧は、無負荷時に等しい電圧値となるように設定されると共に、負荷電流により適当な垂下特性が付けられるので、交流電源線ａｃへの各インバータ１０２Ａ、１０２Ｂの出力電流は、相互にバランスが取れた値となる。これについて、以下に、図２を参照して説明する。

インバータ１０２Ａ、１０２Ｂの出力電圧特性は、各インバータの制御回路に特に図示等しない制御機能（インバータ出力電流により出力電圧を低減等させる制御機能）を持たせることにより、例えば図２に示す通りとなるようにする。図示の通り、インバータ１０２Ａと１０２Ｂの出力電圧特性は、無負荷時の電圧は同じであり且つ垂下特性（傾き）も同じであるようにしている。

図２に示す垂下特性（傾き）は、負荷電流の検出値によって出力電圧が変化するように制御することで実現される。この様な垂下特性を持たせておくと、以下の様な動作で結果的に出力電流は相互にバランスが取れた値となる。

（１）例えば、インバータ１０２Ａの負荷が５０％、インバータ１０２Ｂの負荷が１００％とする。
（２）図２に示す垂下特性を持っている為、インバータ１０２Ａの出力電圧は、インバータ１０２Ｂの電圧より高い状態となっている。

（３）インバータ１０２Ａ−１０２Ｂ間で電位差がある為、インバータ１０２Ａからインバータ１０２Ｂに電流が流れる。
（４）インバータ１０２Ａの負荷電流が増える為、インバータ１０２Ａの出力電圧が下がる。

（５）この電流は、結局、負荷側に流れる為、結果的に、インバータ１０２Ｂの負荷が減り、インバータ１０２Ｂの出力電圧が上がる。
（６）ここまでの動作によって、インバータ１０２Ａ、１０２Ｂの出力電圧及び負荷が等しくなり、出力電流がバランスした状態となる。

上記構成において、補助電源装置１Ａ，１Ｂのどちらかが故障した場合の動作について説明する。仮に、補助電源装置１Ｂが故障した場合、従来と同様に、補助電源装置１Ｂの故障信号出力ｆｔＢから故障信号ＦＴＢが出力されて運転席に故障表示されると共に、自動的に直流電源用接触器１１Ｂと交流電源用接触器１２Ｂが“開”状態とされ、これによって補助電源装置１Ｂはシステムから切り離される。更に、直流非定常負荷用接触器１４Ａ、１４Ｂ及び交流非定常負荷用接触器１５Ａ、１５Ｂが“開”状態とされ、負荷軽減される。例えば負荷半減される。

上記動作中も、車両は停止されることなく運転は継続される。これは、補助電源装置１Ｂの故障により給電区分Ｂの電源が無くなっても、交流電源線ａｃを介してＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａから電力供給されるからである（直流は従来より供給されている）。その為に、通常時から、全ての補助電源装置１Ａ、１Ｂのインバータ１０２Ａ、１０２Ｂの出力を同期化させることで、交流電源線ａｃを分離させることなく、共通化させている。

また、マスタ装置である補助電源装置１Ａが故障した場合でも、補助電源装置１Ａのインバータ１０２Ａとコンバータ１０１Ａは切り離されるが、インバータ周波数発生器１１３Ａは自立系であるので切り離されることなく、同期信号は継続して出力されるので、交流電圧は健全な方の補助電源装置１Ｂから継続して出力される。

また、インバータ周波数発生器１１３Ａが故障した場合でも、特に図示しないが、この故障を検出する構成と、故障検出された場合に、同期信号選択スイッチ１１１Ａを“開”、１１１Ｂを“閉”とするように制御する制御部を備えることで対応可能である。

鉄道車両の場合、１つの給電区分でも電力供給がストップしたら、その場で運転を停止する。この為、従来では、上述した通り、補助電源装置１Ｂの故障により給電区分Ｂの電源が無くなったら、直流はよいが交流に関しては、延長給電用接触器１３ＡＢを“閉”状態にするまでは、給電区分Ｂに電力供給されない為、運転を停止せざると得なかった。一方、本例では、上記の通り、交流に関しても給電区分Ｂに給電続行されるので、車両は停止されることなく運転は継続され、車両の走行運転行程に影響を及ぼすことはない。

但し、従来では、上記“負荷軽減”を行った後、延長給電用接触器１３ＡＢを“閉”状態にして給電区分Ａ，Ｂの両方の区分に補助電源装置１Ａから電力供給していたが、本例では“負荷軽減”が行われるまでの間、補助電源装置１Ａに過負荷が掛かることになる。例えば最大負荷（１００％）の場合で計算すると、“負荷軽減”が行われるまでの間、補助電源装置１ＡのＡＣ／ＤＣコンバータ１０１Ａ及びＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａには２００％の過負荷が掛かることになる。

この過負荷が掛かる時間は、動作シーケンスを構成する接触器の動作時間の合計値で数sec以内と想定される。一般に、この種の変換器に適用される素子冷却器の熱時定数は数min程度であるので、コンバータ１０１Ａ及びインバータ１０２Ａの発生損失熱は、夫々、従来の素子冷却器の冷却性能で十分に吸収できる時間である。従って、２００％の過電流耐量に適合した素子選定と過電流保護特性の設定を行うのみで、上記問題に容易に対応可能となる。従って、この問題の為に装置構造が大きくなるようなことはない。勿論、これは、補助電源装置１Ａが故障した場合における補助電源装置１Ｂのコンバータ１０１Ｂ及びインバータ１０２Ｂについても同様である。

また、上記の通り、給電区分が２つとは限らない。給電区分が３以上の場合も、各給電区分毎に補助電源装置が設置され、そのうちの一台（例えば先頭車両に搭載される補助電源装置）を上記マスタ装置とする。各装置の直流出力電圧は、出力電流による適当な垂下特性を持って、直流電源用接触器１１を介して、引通しの直流電源線ｄｃに接続される。同様に、各装置の交流出力電圧も、出力電流による適当な垂下特性を持って、交流電源用接触器１２を介して、引通しの交流電源線ａｃに接続される。マスタ装置以外の各補助電源装置のＤＣ／ＡＣインバータ１０２は、マスタ装置のインバータ周波数発生器１１３の出力信号を、引通しの同期信号線ｓｎを介して受けて、全装置で同期して交流電圧を出力するように制御される。

編成車両がｎ台の補助電源装置により給電される場合は（従って給電区分数＝ｎ）、そのうちの一台が故障した場合、負荷軽減されるまでの健全装置（故障した装置以外の装置）の過負荷耐量は、装置１台当たり（ｎ／（ｎ−１））×１００（％）
となる。

従って、ｎ＝２であれば２００％、ｎ＝４で１３４％等となり、上記例のような補助電源装置が２台の場合が、最も条件が厳しいことが分かる。従って、最大でも、各補助電源装置は、２００％、数secの耐量があればよい。

尚、インバータ周波数発生器１１３Ａ，１１３Ｂは、高い信頼性が要求されるので、例えば内部にバックアップ電源を持った２重系の信号発生回路より成る自立系の回路で構成される。また、尚、運転席の故障表示は、リセット信号ＲＥＢを入力することにより復旧される。また、インバータ周波数発生器１１３は必ずしも全ての補助電源装置に設ける必要はなく、最低１台に設けられていればよい（同期信号選択スイッチ１１１も必ずしも必要なものではない）。更に、インバータ周波数発生器は、必ずしも補助電源装置内に設けえる必要はなく、同期信号線ｓｎに同期信号を送出する構成であれば何でもよい。

本実施の形態における補助電源装置を複数用いた給電システムの一例を示すブロック図である。 インバータの出力電圧特性である。 従来の給電システム、その補助電源装置の構成例である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 補助電源装置
２Ａ，２Ｂ バッテリー
３Ａ，３Ｂ 直流定常負荷
３１Ａ，３１Ｂ 直流非定常負荷
４Ａ，４Ｂ 交流定常負荷
４１Ａ，４１Ｂ 交流非定常負荷
１１Ａ，１１Ｂ 直流電源用接触器
１２Ａ，１２Ｂ 交流電源用接触器
１３ＡＢ 延長給電用接触器
１４Ａ，１４Ｂ 直流非定常負荷用接触器
１５Ａ，１５Ｂ 交流非定常負荷用接触器
１０１Ａ，１０１Ｂ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１０２Ａ，１０２Ｂ ＤＣ／ＡＣインバータ
１１１Ａ，１１１Ｂ 同期信号選択スイッチ
１１２Ａ，１１２Ｂ 信号線
１１３Ａ，１１３Ｂ インバータ周波数発生器
ｄｃ 直流電源線
ａｃ 交流電源線
ｓｎ 同期信号線

Claims (2)

1. 主電源電圧を入力して低圧の直流電圧に変換するコンバータ回路と低圧の交流電圧に変換するインバータ回路を有する補助電源装置を、編成車両の各給電区分毎に搭載して成る車両用給電システムにおいて、
   直流電源線と交流電源線と、
   前記各インバータ回路が接続される同期信号線と、
   前記各補助電源装置毎に対応して設けられる、該補助電源装置と前記直流電源線及び交流電源線との接続／分離を行う第１の開閉手段と、
   直接又は前記同期信号線を介して、前記各インバータ回路に対して、任意の周波数指令信号を送信することで、全てのインバータ回路が同期して前記交流電圧を出力するようにするインバータ周波数発生手段と、
   前記直流電源線、前記交流電源線にそれぞれ接続されている各種負荷の一部を、該直流電源線、前記交流電源線と接続／分離する第２の開閉手段とを有し、
   前記各補助電源装置のうちの１台が故障したとき、前記第１の開閉手段によって該故障した補助電源装置を分離すると共に、前記第２の開閉手段によって前記各種負荷の一部を分離することを特徴とする車両用給電システム。
2. 前記各インバータ回路は、無負荷時の電圧と垂下特性が略同一であることを特徴とする請求項１記載の車両用給電システム。