JP2008074183A

JP2008074183A - 直流電気鉄道システムの回生電力吸収方式

Info

Publication number: JP2008074183A
Application number: JP2006253743A
Authority: JP
Inventors: Kazunobu Oi; 一伸大井; Masaaki Ono; 正明小野
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: JP4835347B2

Abstract

【課題】電力吸収装置に対して電気車両が離れて位置する場合も確実に回生電力を吸収し、しかも無駄な電力消費を減らす。
【解決手段】き電線に沿って分散設置した電圧検出器６₁〜６₅によってき電線電圧を検出し、各き電線電圧のうちの最大値をコンパレータ７で求め、これを電圧検出値として電力吸収装置５の自動電圧制御を行う。
電力吸収装置は、き電用整流器３の出力電流から電気車両の回生動作の有無を判定し、回生動作中には回生動作電圧を低い値に切り換えること、各電圧検出器は互いに信号線で数珠繋ぎして各電圧検出器で高い方の電圧を検出電圧として後段の電圧検出器に伝送すること、各電圧検出器は駅や急カーブ、下り勾配区間など電気車両の減速運転が予測されるき電線位置のみに設置することを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電気鉄道システムにおいて、電気車両からの回生電力を吸収するための回生電力吸収方式に関する。

一般に、直流き電システムは、図６に構成例を示すように、き電変電所では交流電源１にトランス２と直流き電用整流器３を介して直流電力に変換し、き電線を通して車両４にき電する直流き電系統構成となっている。現在の車両には電力回生機能があり、減速時にはき電線を通して力行運転中の他の車両へ電力を回生してブレーキ動作を行うが、一般的に使用されている直流き電用整流器３は車両回生時の回生電力を吸収することができないため、力行運転中の車両がいない場合はき電線電圧が上昇して車両の電力回生が行えないという問題がある。

この問題における一般的な対策として、整流器３に加えて回生用インバータを設備するシステムがあるが、この場合は高価なインバータが必要となるし、回生用系統接続用のトランスも必要になるなどの問題がある。

このため、回生用インバータ方式よりも簡単な構成で回生電力を処理するための装置として、き電線側に設けた抵抗器により回生電力を消費、またはコンデンサにより回生電力を貯蔵する電力吸収装置を設ける方式もある（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。

図７は直流き電システムへの回生電力吸収装置の適用例を示し、車両４が力行運転時には整流器３側から電力を供給し、車両４の制動時に発生する回生電力は電力吸収装置５に吸収させる。この制御のため、電圧検出器６で整流器３位置のき電線電圧Ｖ_Dを検出し、電力吸収装置５では検出電圧Ｖ_Dと回生動作電圧Ｖｓの比較により電力吸収動作を行う。

この電力吸収装置５の回路構成例を図８に示す。この装置は回生電力を消費する抵抗Ｒと電力消費量を調整する降圧チョッパＣＨとその制御装置などを組み合わせた構成である。また、電力吸収装置５の回路構成例を図９に示し、回生電力を吸収するコンデンサＣと双方向チョッパＣＨとを組み合わせた構成である。

これら電力吸収制御は自動電圧制御部（ＡＶＲ）５Ａと、自動電流制御部（ＡＣＲ）５Ｂによって制御される。すなわち、自動電圧制御の目標値になる回生動作電圧Ｖｓに対してき電線電圧Ｖ_Dが越えたときにその偏差に応じた電流指令をＡＶＲ５Ａが発生し、この電流指令に応じてＡＣＲ５Ｂがチョッパの導通率を制御し、回生電力を抵抗Ｒで消費、またはコンデンサＣの充電電力として蓄積する。
特開平７−２１２９１４号公報特開２００５−１６２０７６号公報

図７に示す構成では、整流器３の無負荷最大電圧をＶｏとしてＶｓ＞Ｖｏとなるように回生動作電圧Ｖｓを設定する必要がある。これは、Ｖｓ＜Ｖｏとすると、回生が行われていない場合でも常に電力吸収装置５が動作し、無駄に電力を消費するためである。しかし、Ｖｓ＞Ｖｏとすると、Ｖｓは通常走行時の電圧よりもかなり高い電圧となる。

一方、回生時の最大電圧は車両により決められており、この最大電圧をＶ_Rとすると、吸収できる回生電流Ｉ_Sは最大電圧Ｖ_Rと回生動作電圧Ｖ_Sとき電線インピーダンスＲで以下の式により制限される。

［数１］Ｉ_S＝（Ｖ_R−Ｖ_S）／Ｒ
ここで、電力吸収装置５と回生車両が離れて位置する場合は、き電線インピーダンスＲが増加するため、き電線インピーダンスの電圧降下により電力吸収装置が回生電力を吸収しきれず、確実な回生動作が得られない場合がある。この問題を図１０で説明すると、電力吸収装置５と車両４の位置が離れ、この間のき電線インピーダンスＲが高い場合、電力吸収装置５近くの検出電圧Ｖ_Dが回生動作電圧Ｖ_Sになるよう自動電圧制御（ＡＶＲ）しても、車両４の電圧は「き電線抵抗Ｒ」によりＶｓ＋Ｉ_SＲ（Ｉ_Sは回生電流）に上昇してしまう。この値が最大電圧Ｖ_R以上になると、車両は回生電流Ｉｓを絞り込んでパンタ点電圧がＶ_R以下となるように制御する機能をもつため、回生電流が電力吸収装置５側に充分に吸収されなくなり、回生動作による車両の制動も不充分になる。

本発明の目的は、電力吸収装置に対して電気車両が離れて位置する場合も確実に回生電力を吸収でき、しかも無駄な電力消費を減らすことができる電気車両の回生電力吸収方式を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、以下の構成とするものである。

（１）き電変電所のき電用整流器からき電線を通して電気車両にき電する直流き電系統に、き電線の電圧を検出する電圧検出器の検出電圧と回生動作電圧（目標値）との偏差に応じた自動電圧制御により電気車両の回生電力を抵抗またはコンデンサで吸収する電力吸収装置を備えた直流電気鉄道システムにおいて、
前記電圧検出器は、き電線に沿って複数個所に分散設置し、それぞれの設置位置のき電線電圧を検出する構成とし、
前記電力吸収装置は、各電圧検出器が検出したき電線電圧のうちの最大値を電圧検出値として前記自動電圧制御を行う構成としたことを特徴とする。

（２）き電変電所のき電用整流器からき電線を通して電気車両にき電する直流き電系統に、き電線の電圧を検出する電圧検出器の検出電圧と回生動作電圧（目標値）との偏差に応じた自動電圧制御により電気車両の回生電力を抵抗またはコンデンサで吸収する電力吸収装置を備えた直流電気鉄道システムにおいて、
前記電力吸収装置は、前記整流器の出力電流から電気車両の回生動作の有無を判定し、回生動作中には前記回生動作電圧を低い値に切り換える構成としたことを特徴とする。

（３）き電変電所のき電用整流器からき電線を通して電気車両にき電する直流き電系統に、き電線の電圧を検出する電圧検出器の検出電圧と回生動作電圧（目標値）との偏差に応じた自動電圧制御により電気車両の回生電力を抵抗またはコンデンサで吸収する電力吸収装置を備えた直流電気鉄道システムにおいて、
前記電圧検出器は、き電線に沿って複数個所に分散設置し、それぞれの設置位置のき電線電圧を検出する構成とし、
前記電力吸収装置は、各電圧検出器が検出したき電線電圧のうちの最大値を電圧検出値として前記自動電圧制御を行う構成とし、
前記電力吸収装置は、前記整流器の出力電流から電気車両の回生動作の有無を判定し、回生動作中には前記回生動作電圧を低い値に切り換える構成としたことを特徴とする。

（４）前記各電圧検出器は互いに信号線で数珠繋ぎした構成とし、各電圧検出器の設置位置でのき電線の検出電圧と、前段の電圧検出器の検出電圧とのうち高い方の電圧を検出電圧として後段の電圧検出器に伝送する構成としたことを特徴とする。

（５）前記各電圧検出器は、電気車両の減速運転が予測されるき電線位置のみに設置した構成を特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、以下の効果がある。

（１）き電線に沿って複数個所に分散設置した電圧検出器により、それぞれの設置位置のき電線電圧を検出し、各電圧検出器が検出したき電線電圧のうちの最大値を電圧検出値として電力吸収装置の自動電圧制御を行うことにより、き電線インピーダンスにより電力吸収装置の位置と電気車両位置との間で電圧降下が高い場合にも回生電力を確実に吸収できる。

（２）電力吸収装置は、き電用整流器の出力電流から電気車両の回生動作の有無を判定し、回生動作中には回生動作電圧を低い値に切り換えることにより、単に電力吸収装置の回生動作電圧値を低下させた場合に比べ、回生時のみ電力吸収を行うため無駄な電力消費を減らすことができる。

（３）各電圧検出器は互いに信号線で数珠繋ぎし、各電圧検出器の設置位置でのき電線の検出電圧と、前段の電圧検出器の検出電圧とのうち高い方の電圧を検出電圧として後段の電圧検出器に伝送することにより、信号線の敷設が簡単になる。

（４）各電圧検出器は、駅や急カーブ、下り勾配区間など電気車両の減速運転が予測されるき電線位置のみに設置して電力吸収制御を行うことで、電圧検出器の数を減らし、コストを抑えることができる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す回生電力吸収装置の構成図である。同図が図７と異なる部分は、き電線に沿って複数個所（一定区間毎）に電圧検出器６₁〜６₅を分散設置し、これら電圧検出器６₁〜６₅でそれぞれのき電線位置で検出したき電線電圧Ｖ_D1〜Ｖ_D5をコンパレータ７の入力とし、コンパレータ７ではき電線電圧Ｖ_D1〜Ｖ_D5のうちの最大値を選択し、電力吸収装置５では選択された最大値を検出電圧Ｖ_Dとして回生動作電圧Ｖ_Sと比較し、回生電力吸制御を行う点にある。

前記の図１０で説明するように、従来方式では電力吸収装置５と車両４の位置が離れている場合、電力吸収装置５近くの検出電圧Ｖ_Dが回生動作電圧Ｖ_Sになるよう自動電圧制御しても、車両４の電圧が「き電線抵抗Ｒ」により上昇してしまい、回生電流Ｉ_Sが充分に吸収されなくなるという不都合がある。

本実施形態によれば、車両４の近くの検出電圧（例えばＶ_D5）が回生動作電圧Ｖ_Sになるまで電力吸収装置５を動作させるため、車両４の電圧上昇をＶｓ＋Ｉ_SＲ_L5（Ｒ_L5＜＜Ｒ）のように小さく抑えることができる。これにより、車両４によって回生電流が絞り込まれることがなくなるため、回生電力を確実に吸収し、車両の回生制動動作も確実にすることができる。

なお、電力吸収装置５の端子電圧（Ｐ−Ｎ間）は、図１の例では（Ｖ_S−Ｉ_SＲ）となるため、電力吸収装置５と電車４間の距離があり、き電線インピーダンスＲが大きい場合では電力吸収装置５の端子電圧（Ｐ−Ｎ間の電圧）が整流器３の無負荷最大電圧Ｖｏよりも低くなることがある。この条件では、車両４の回生電力だけでなく整流器３からの電力も吸収することになり、抵抗による回生電力吸収方式では無駄な電力消費になる。しかし、回生動作電圧Ｖ_Sを常時下げる場合に比べ、車両回生運転時のみ電力吸収装置５の電圧を下げるため、整流器からの無駄な消費電力を少なくすることができる。

また、電力吸収装置５は、整流器３に近接設置するのに代えて、き電線の敷設区間の中間位置に設置することで、その間のき電線インピーダンスにより、回生動作時の整流器３からの電流を抑制し、無駄な消費電力吸収を減らすこともできる。

（実施形態２）
図２に回生電力吸収装置の構成図を示す。この例では、それぞれの電圧検出器６₁〜６₅が検出電圧Ｖ_D1〜Ｖ_D5の入力端子のほか、自電圧検出器による検出電圧と隣接する電圧検出器からの検出電圧の大小を比較するコンパレータを内蔵し、検出電圧の信号線は電圧検出器６₁〜６₅間を接続した数珠繋ぎ構成とする。

この構成において、前段（電力吸収装置から遠い位置）の電圧検出器の検出電圧と自身の電圧検出器の検出電圧を比較し、高い方の電圧を検出電圧として後段（電力吸収装置に近い位置）の電圧検出器の入力としている。このように、電圧検出器６₁〜６₅を数珠繋ぎした構成とし、各電圧検出器のコンパレータにより検出電圧の最大値を選択して次段の伝送することで、最終段（電力吸収装置から最も近い位置）の電圧検出器出力がき電線電圧の最大値に等しくなるため、この値を用いて電力吸収装置５の制御を行う。

この構成の場合、実施形態１のように、電力吸収装置５と電圧検出器６₁〜６₅のすべてを信号線で並列的に接続する必要がなくなり、信号線は電圧検出器間の渡り配線（１本の信号線敷設）で済み、さらに電圧検出器６₁〜６₅の増設も容易になる。

なお、電力吸収装置５をき電線の中間位置に配置する場合は、電力吸収装置を中心として左右の電圧検出器を数珠繋ぎにして電力吸収装置位置で両信号系統からの検出電圧のうち高い方を選択する構成にされるが、信号線の敷設は同等の長さにできる。

（実施形態３）
図３に回生電力吸収装置の構成図を示す。この例では、停車位置（駅）や急カーブ、下り勾配区間など、車両の減速運転が予測されるき電線位置のみに電圧検出器６₁，６₂を設置し、電力吸収装置５の制御を行う。減速運転箇所が少ない場合は、この構成例を適用することで電力吸収装置５の電力吸収効果を損なうことなく電圧検出器の設置個数を減らし、回生電力吸収装置の設備コストを抑えることができる。

なお、図示ではコンパレータ７による制御電圧を選択する場合を示すが、実施形態２と同様に、電圧検出器に隣接する電圧検出器の検出電圧との比較を行う方式とすることで、信号線数を最小限にすることもできる。また、電力吸収装置５をき電線の中間位置に配置する場合も同様の構成にできる。

（実施形態４）
図４に回生電力吸収装置の構成図を示す。この例では、車両４からの回生電力の有無を判定するために、整流器３の出力端位置に、電圧検出用負荷８と、この負荷８の電圧を検出する電圧検出器９および整流器３から負荷８に流れる電流を検出する電流検出器１０を設ける。さらに、電流検出器１０の検出電流から回生動作の有無を判定する判定回路１１と、この判定結果によって回生動作電圧をＶ_SからＶ_S’に切り換える切換スイッチ１２を設ける。５Ａは図８または図９に示すように、電力吸収装置５内にもつ自動電圧制御部（ＡＶＲ）であり、切換スイッチ１２で切り換え設定される回生動作電圧Ｖ_SまたはＶ_S’と、電圧検出器９で検出するき電線の検出電圧Ｖ_Dの偏差に応じて回生電力の吸収制御をする。これにより、き電線のインピーダンスによる電圧降下が大きい場合にも、確実に回生電力を吸収する。

この構成において、車両４からの回生電力がない場合は電圧検出用負荷８には整流器３から常時電流が流れる。そして、車両４から回生が発生すると、整流器３の電圧より車両４の回生電圧の方が高くなるため、電圧検出用負荷８には車両４から回生電流が流れ、電流検出器１０の電流Ｉｄがゼロ（Ｉｄ≒０Ａ）となり回生動作の発生に対応付けることができる。この回生動作の発生は判定回路１１により判定され、電力吸収装置５の回生動作電圧設定を通常値Ｖｓよりも低い値Ｖｓ’（Ｖｓ＞Ｖｓ’）に下げることにより、より大きな回生電力を吸収できるようになる。

なお、あまり大きく電圧設定を下げると整流器３から余計な電流までも吸収してしまうことになるが、回生が終了すれば回生動作電圧設定は通常に戻るため、装置の定格を著しく大きくすることがない程度に電圧を設定する。例えば、Ｖｓ’は整流器３の系統電圧上昇分のマージン５％を除いた値：Ｖｓ’＝０．９５×Ｖｓとする。

また、き電用整流器の電圧・電流特性は一般に図５のように整流器やトランスで電圧降下が発生するため、Ｖｓ＜Ｖｏの度合いを多少大きくしても、整流器３から著しく大きな電流が流れることはない。

以上の構成により、き電線のインピーダンスが大きい場合でも、通常より多くの回生電流を吸収することが可能となる。しかも、電圧検出器９は１つのものを設置することで済む。

なお、本実施形態は前記の実施形態１〜３と併用して回生電力の吸収を一層効果的にすることができる。

また、以上までの各実施形態は、直流電気鉄道システムに適用する場合を示すが、変電所から複数個所の負荷に直流給電を行う他のシステムに適用して同等の作用効果を得ることができる。すなわち、変電所から直流電力供給用の長距離の給電線に、回生装置を有する多数の移動負荷や固定負荷を接続したシステムにおける給電線のインピーダンスの影響を抑制した回生電力吸収制御に適用可能である。例として、無人搬送車システムが挙げられ、このシステムに適用する場合は「モータ駆動の無人搬送車」が「電気車両」に相当し、変電所から無人搬送車の走行経路に沿って引き回す「ケーブル」が「き電線」に相当する。

本発明の実施形態１を示す回生電力吸収装置の構成図。本発明の実施形態２を示す回生電力吸収装置の構成図。本発明の実施形態３を示す回生電力吸収装置の構成図。本発明の実施形態４を示す回生電力吸収装置の構成図。き電用整流器の電圧・電流特性。直流き電システムの構成例。直流き電システムへの回生電力吸収装置の適用例。電力消費抵抗による電力吸収装置の回路構成例。電力蓄積コンデンサによる電力吸収装置の回路構成例。回生電力吸収装置と車両が離れて位置する場合の系統状態図。

符号の説明

１交流電源
２トランス
３き電用整流器
４電気車両
５電力吸収装置
６₁〜６₅ 電圧検出器
７コンパレータ
８電圧検出用負荷
９電圧検出器
１０電流検出器
１１判定回路
１２切換スイッチ

Claims

き電変電所のき電用整流器からき電線を通して電気車両にき電する直流き電系統に、き電線の電圧を検出する電圧検出器の検出電圧と回生動作電圧（目標値）との偏差に応じた自動電圧制御により電気車両の回生電力を抵抗またはコンデンサで吸収する電力吸収装置を備えた直流電気鉄道システムにおいて、
前記電圧検出器は、き電線に沿って複数個所に分散設置し、それぞれの設置位置のき電線電圧を検出する構成とし、
前記電力吸収装置は、各電圧検出器が検出したき電線電圧のうちの最大値を電圧検出値として前記自動電圧制御を行う構成としたことを特徴とする直流電気鉄道システムの回生電力吸収方式。
き電変電所のき電用整流器からき電線を通して電気車両にき電する直流き電系統に、き電線の電圧を検出する電圧検出器の検出電圧と回生動作電圧（目標値）との偏差に応じた自動電圧制御により電気車両の回生電力を抵抗またはコンデンサで吸収する電力吸収装置を備えた直流電気鉄道システムにおいて、
前記電力吸収装置は、前記整流器の出力電流から電気車両の回生動作の有無を判定し、回生動作中には前記回生動作電圧を低い値に切り換える構成としたことを特徴とする直流電気鉄道システムの回生電力吸収方式。
き電変電所のき電用整流器からき電線を通して電気車両にき電する直流き電系統に、き電線の電圧を検出する電圧検出器の検出電圧と回生動作電圧（目標値）との偏差に応じた自動電圧制御により電気車両の回生電力を抵抗またはコンデンサで吸収する電力吸収装置を備えた直流電気鉄道システムにおいて、
前記電圧検出器は、き電線に沿って複数個所に分散設置し、それぞれの設置位置のき電線電圧を検出する構成とし、
前記電力吸収装置は、各電圧検出器が検出したき電線電圧のうちの最大値を電圧検出値として前記自動電圧制御を行う構成とし、
前記電力吸収装置は、前記整流器の出力電流から電気車両の回生動作の有無を判定し、回生動作中には前記回生動作電圧を低い値に切り換える構成としたことを特徴とする直流電気鉄道システムの回生電力吸収方式。
前記各電圧検出器は互いに信号線で数珠繋ぎした構成とし、各電圧検出器の設置位置でのき電線の検出電圧と、前段の電圧検出器の検出電圧とのうち高い方の電圧を検出電圧として後段の電圧検出器に伝送する構成としたことを特徴とする請求項１または３に記載の直流電気鉄道システムの回生電力吸収方式。
前記各電圧検出器は、電気車両の減速運転が予測されるき電線位置のみに設置した構成を特徴とする請求項１または３に記載の直流電気鉄道システムの回生電力吸収方式。