JP2009095080A - 交流電車の補助電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主変圧器の第３次巻線からの入力がなくなったときにおいても、交流電力の供給を可能にできる交流電車の補助電源装置を提供することである。
【解決手段】電力変換器３３は、直流補助電源回路２２の整流器の各アームに並列に半導体スイッチ素子３２ａ〜３２ｄを接続して形成され、パンタグラフ１２から主変圧器１４の３次巻線１５を介して入力した交流の停電を停電検知装置３４が検出したときは、制御装置３５は、電力変換器３３の半導体スイッチ素子３２ａ〜３２ｄをオンオフ制御してインバータ運転し、バッテリ２３から中間直流リンク部２０に電力を放電し、交流補助電源回路２１の第１のインバータ２４の動作を継続して交流補助電源回路２１に交流電力を供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電車の交流車内負荷に交流電力を供給する交流補助電源回路と直流車内負荷に直流電力を供給する直流補助電源回路とを備えた交流電車の補助電源装置に関する。

交流電車の補助電源装置として、交流車内負荷に交流電力を供給する交流補助電源回路と直流車内負荷に直流電力を供給する直流補助電源回路とを備えたものがある。すなわち、交流電車では車内のサービス機器等への電力供給用電源として、架線から主変圧器の第３次巻線を介して電力を入力する補助電源装置を搭載している。一般に、この補助電源装置は、架線からは絶縁されたＡＣ１００Ｖの交流補助電源回路とＤＣ１００Ｖの直流補助電源回路とを有し、通常、ＤＣ１００Ｖの直流補助電源回路はバッテリに接続されている。

図４は従来の交流電車の補助電源装置の一例を示す構成図である。架線１１の電力はパンタグラフ１２及び主遮断器１３を介して主変圧器１４に供給され、この電力は主変圧器１４の第２次巻線（図示省略）を介して交流電車を駆動するための主電動機に供給される。一方、主変圧器１４の第３次巻線１５からは遮断器１６を介して制御整流器１７に交流が供給されて直流に変換される。制御整流器１７で得られた直流は平滑リアクトル１８及びコンデンサ１９を経て中間直流リンク部２０に中間直流電圧が得られる。

この中間直流リンク部２０を基点にして、交流補助電源回路２１と直流補助電源回路２２とに電力が分配される。交流補助電源回路２１はＡＣ１００Ｖを出力し、直流補助電源回路２２はＤＣ１００Ｖを出力しバッテリ２３に接続されている。交流補助電源回路２１は中間直流電圧を第１のインバータ２４で交流に変換し、フィルタ２５及びインバータトランス２６を介して図示省略の交流車内負荷に交流電力を供給する。一方、直流補助電源回路２２は、中間直流電圧を第２のインバータ２７で一旦交流に変換したのち、絶縁トランス２８を介して整流器２９に入力し、この整流器２９で交流を直流に変換する。そして、フィルタ３０及びバッテリスイッチ３１を介してバッテリ２３を充電する。また、必要に応じてバッテリ２３から直流車内負荷に直流電源を供給する。

ここで、デッドセクションによって異電源を分離した架線１１や、あるセクションでセクションごと異電源に切り替えられる架線１１から受電する交流電車では、架線１１を入力とする補助電源交流出力は瞬時停電を起こす。その場合、車内負荷として蛍光灯を有する補助電源装置では、その入力である架線電源の瞬停において蛍光灯が消えるということが生じる。

交流電車では架線１１の異電源の区間に入る場合に交交セクションという無電圧区間を設けたり、新幹線などでは編成全体を一定区間に入れて、その区間の電源を一斉に切り替える電源切替えなどが行われている。前者は在来線車両では６ｍ程度の無電圧区間があり、走行速度にもよるが一般には１秒以内の瞬停が発生し、後者の新幹線電車の場合では、地上側の変電所の前あるいはき電区分所の前に異相セクションを設備している。

図５は異相セクション設備の一例の説明図である。いま、交流電車は図５の矢印方向に進行するものとする。交流電車がＳａ区間からＳｂ区間に進入しＳｂ区間に完全に入ると、ＳＷ−Ａが開放してＳＷ−Ｂが投入され異相区間への切り替わりが完了する。この場合、Ｓｂ区間では切り替わり時に０．３秒程度の無電圧の期間が発生する。このように交流電車では電源の瞬断は避けられない。そのため、連続点灯が必要な車内蛍光灯などのような車内負荷には、高価な直流蛍光灯を使用し、バッテリ２３を電源として直接点灯できるようにしている。

電車等のパンタグラフが離線し、電動機側への供給電力が一時的にとぎれても、一定時間の間、必要な出力の確保ができるように、インバータ入力側の容量値を大として対応すべく並列に離線補償用コンデンサが付加したものがある（例えば、特許文献１参照）。また、電気車からの回生電力を電池に蓄積して回生するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開平１１−２５２７０１号公報 特開２００１−２６０７１９号公報

しかし、交流電車においては、交交セクション又はセクション切替えといった電源の短時間停電が存在するので、セクション通過時や電源切替え時には瞬停が発生し、その間は車内負荷としての蛍光灯負荷が消えてしまう。これを避けるためには高価な直流蛍光灯を使用しなければならない。

車内負荷としての蛍光灯負荷は架線１１の瞬停のない直流電車では、架線電圧を入力とする補助電源装置から供給されているのが経済的である。従って、交交セクション又はセクション切替えといった電源の短時間停電が存在する交流電車においても、常時は架線１１からの電力で点灯し、セクション通過時や電源切替えといったときにも交流出力を無停電にすることが要求されている。

本発明の目的は、主変圧器の第３次巻線からの入力がなくなったときにおいても、交流電力の供給を可能にできる交流電車の補助電源装置を提供することである。

本発明の交流電車の補助電源装置は、架線から主変圧器の３次巻線を介して入力した交流を整流して中間直流リンク部に中間直流電圧を得る制御整流器と、前記制御整流器で得られた中間直流電圧を第１のインバータで交流に変換して交流補助電源を得て交流電車の車内負荷に交流電力を供給する交流補助電源回路と、前記制御整流器で得られた中間直流電圧を第２のインバータで一旦交流に変換したのち整流器で整流して直流に変換しバッテリに充電するとともにバッテリから車内負荷に直流電源を供給する直流補助電源回路とを備えた交流電車の補助電源装置において、前記直流補助電源回路の前記整流器の各アームに並列に半導体スイッチ素子を接続して形成された電力変換器と、前記パンタグラフから主変圧器の３次巻線を介して入力した交流の停電を検出する停電検知装置と、前記停電検知装置が停電を検出したときは前記半導体スイッチ素子をオンオフ制御してインバータ運転し、前記バッテリから前記中間直流リンク部に電力を放電し、前記第１のインバータの動作を継続して前記交流補助電源回路に交流電力を供給する制御装置とを備えたこと特徴とする。

本発明によれば、主変圧器の第３次巻線からの入力がなくなったときにおいても、交流電力の供給を可能にできる。

図１は本発明の実施の形態に係わる交流電車の補助電源装置の一例を示す構成図である。図４に示した従来例に対し、直流補助電源回路２２の整流器２９の各アームに並列に半導体スイッチ素子３２ａ〜３２ｄを接続して電力変換器３３を形成し、パンタグラフ１２から主変圧器１４の３次巻線を介して入力した交流の停電を検出する停電検知装置３４を設け、第１のインバータ２４、第２のインバータ２７及び電力変換器３３を制御する制御装置３５を設けたものである。図４と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。

整流器２９の各アームに並列に接続する半導体スイッチ素子３２ａ〜３２ｄは、例えば、ＩＧＢＴである。電力変換器３３は半導体スイッチ素子３２ａ〜３２ｄを停止させている状態では、図４に示した従来例の整流器２９と同様に整流器として動作する。一方、半導体スイッチ素子３２ａ〜３２ｄを動作させるときには、そのオンオフ制御にてインバータとして動作させる。

中間直流リンク部２０の中間直流電圧は電圧検出器３６で検出され、停電検知装置３４に入力される。停電検知装置３４は、電圧検出器３６で検出した中間直流電圧が所定値より低下したときに架線電圧が停電したことを検知する。また、中間直流電圧が所定値を超えたときに架線電圧が復電したことを検知する。

制御装置３５は停電検知装置３４が停電を検出していないときは、第１のインバータ２４及び第２のインバータ２７を動作させ、電力変換器３３の半導体スイッチ素子３２ａ〜３２ｄの動作を停止させておく。これにより、交流補助電源回路２１は中間直流電圧を第１のインバータ２４で交流に変換し、フィルタ２５及びインバータトランス２６を介して図示省略の交流車内負荷に交流電力を供給する。一方、直流補助電源回路２２は、中間直流電圧を第２のインバータ２７で一旦交流に変換したのち、絶縁トランス２８を介して整流器２９に入力して、この整流器２９で交流を直流に変換し、フィルタ３０及びバッテリスイッチ３１を介してバッテリ２３を充電する。また、必要に応じてバッテリ２３から直流車内負荷に直流電源を供給する。

一方、制御装置３５は停電検知装置３４が停電を検出したときは、電力変換器３３の半導体スイッチ素子３２ａ〜３２ｄをオンオフ制御してインバータ運転し、バッテリ２３から第２のインバータ装置２７を介して中間直流リンク部２０に電力を放電する。これにより、交流補助電源回路２１の第１のインバータ２４は、直流補助電源回路２２から供給される交流電力を入力し、そのインバータ動作を継続する。従って、交流補助電源回路２１は架線電圧が停電してもＡＣ１００Ｖの交流電源を供給できる。

制御装置３５は、電力変換器３３の半導体スイッチ素子３２ａ〜３２ｄをオンオフ制御してインバータ運転するときは、直流補助電源回路２２の第２のインバータ２７を制御整流器として動作させる。あるいは第２のインバータ２７の半導体スイッチ素子の動作を停止して整流器として動作させる。これにより、バッテリ２３からの電力は中間直流リンク部２０に直流として供給される。

この場合、制御装置３５は、バッテリ２３から供給される中間直流電圧を定常時の中間直流電圧より低く制御する。これは、架線電圧が復電したときの中間直列電圧の変動を吸収するためである。また、架線電圧の停電は短時間であり中間直流電圧を定常時の中間直流電圧より低くしても交流負荷への影響はほとんどなく、バッテリ２３の電力の消費も軽減できる。

また、制御装置２３は、バッテリから中間直流リンク部２０への充電時間として停電から復電するまでの時間に余裕時間を見込んだ所定時間とする。例えば、バッテリ２３から中間直流リンク部２０への充電時間を１秒といった時間制限をつけたものとする。これにより、交流負荷への交流電力の供給を停止することなく、架線電圧が復電したときの中間直列電圧の変動を抑制でき、また、交流補助電源回路２１及び直流補助電源回路２２の通常動作に速やかに復帰できる。

以上の説明では、フィルタ３０の直流リアクトルを電力変換器３３とバッテリ２３との間に設けたが、図２に示すように、直流リアクトルを交流側に移動し、交流リアクトル３７とすることも可能である。また、このようなリアクトルを絶縁トランス２８に包含してもよい。

図３は電力変換器３３の整流器動作とインバータ動作との切替えを示すタイミング図である。時点ｔ１でセクション切替え等で架線１１からの電力が途絶えると、中間直流リンク部２０の電圧が低下する。時点ｔ２で電圧が所定値に低下すると電力変換器３３は整流器動作からインバータ動作へ切り替わる。この場合、前述したように第２のインバータ２７を制御整流器として動作させるか、または第２のインバータ２７の半導体スイッチ素子の動作を停止し純粋の整流器として作用させる。そして、電力変換器３３は、図３に示すように、中間直流電圧が一定の電圧になるように電力変換器３３の半導体素子スイッチ３２ａ〜３２ｄをオンオフ制御する。なお、第２のインバータ２７の制御整流器作用により中間直流電圧を一定電圧に維持するように制御することも可能である。

そして、時点ｔ３で架線１１からの電力が復帰すると、中間直流リンク部２０の電圧が上昇し、時点ｔ４で所定値まで上昇すると、交流補助電源回路２１及び直流補助電源回路２２の通常動作に状態に戻す。

このように、本発明の実施の形態では、通常時においては、中間直流リンク部２０は主変圧器１４の第３次巻線１５から電力の供給を受け、交流電車が無電圧区間を走行したり、図５に示すセクション切替え等で架線電圧が欠如した場合は、中間直流リンク部２０は、バッテリ２３からの電力の供給を受けるので、交流補助電源回路２１の第１のインバータ２４は動作を継続できＡＣ１００Ｖの無停電化が実現できる。

本発明の実施の形態によれば、補助電源装置に対して、主変圧器１４の第３次巻線１５からの入力がなくなったときにおいても、バッテリ２３からの電力の供給を可能にできるので、補助電源装置のＡＣ１００Ｖの無停電化を図ることができる。従って、蛍光灯として高価な直流蛍光灯でなく、安価な交流蛍光灯にでき、客用サービスとしてのパソコン用コンセントにも、常時は瞬断のないＡＣ１００Ｖを供給することができる。

本発明の実施の形態に係わる交流電車の補助電源装置の一例を示す構成図。 本発明の実施の形態に係わる交流電車の補助電源装置の他の一例を示す構成図。 本発明の実施の形態における電力変換器の整流器動作とインバータ動作との切替えを示すタイミング図。 従来の交流電車の補助電源装置の一例を示す構成図。 異相セクション設備の一例の説明図。

符号の説明

１１…架線、１２…パンタグラフ、１３…主遮断器、１４…主変圧器、１５…第３次巻線、１６…遮断器、１７…制御整流器、１８…平滑リアクトル、１９…コンデンサ、２０…中間直流リンク部、２１…交流補助電源回路、２２…直流補助電源回路、２３…バッテリ、２４…第１のインバータ、２５…フィルタ、２６…インバータトランス、２７…第２のインバータ、２８…絶縁トランス、２９…整流器、３０…フィルタ、３１…バッテリスイッチ、３２…半導体スイッチ素子、３３…電力変換器、３４…停電検知装置、３５…制御装置、３６…電圧検出器、３７…交流リアクトル

Claims (5)

1. 架線から主変圧器の３次巻線を介して入力した交流を整流して中間直流リンク部に中間直流電圧を得る制御整流器と、前記制御整流器で得られた中間直流電圧を第１のインバータで交流に変換して交流補助電源を得て交流電車の車内負荷に交流電力を供給する交流補助電源回路と、前記制御整流器で得られた中間直流電圧を第２のインバータで一旦交流に変換したのち整流器で整流して直流に変換しバッテリに充電するとともにバッテリから車内負荷に直流電源を供給する直流補助電源回路とを備えた交流電車の補助電源装置において、前記直流補助電源回路の前記整流器の各アームに並列に半導体スイッチ素子を接続して形成された電力変換器と、前記パンタグラフから主変圧器の３次巻線を介して入力した交流の停電を検出する停電検知装置と、前記停電検知装置が停電を検出したときは前記半導体スイッチ素子をオンオフ制御してインバータ運転し、前記バッテリから前記中間直流リンク部に電力を放電し、前記第１のインバータの動作を継続して前記交流補助電源回路に交流電力を供給する制御装置とを備えたこと特徴とする交流電車の補助電源装置。
2. 前記制御装置は、前記電力変換器の半導体スイッチ素子をオンオフ制御してインバータ運転するときは、前記第２のインバータを制御整流器として動作させるか、または前記第２のインバータの半導体スイッチ素子の動作を停止して整流器として動作させることを特徴とする請求項１に記載の交流電車の補助電源装置。
3. 前記停電検知装置は、停電の検知を中間直流電圧が所定値より低下したことで判断し、復電を中間直流電圧が所定値を越えたことで判断することを特徴とする請求項１または２に記載の交流電車の補助電源装置。
4. 前記制御装置は、停電時の前記バッテリからの中間直流電圧を定常時の中間直流電圧より低く制御することを特徴とする請求項１または２または３に記載の交流電車の補助電源装置。
5. 前記制御装置は、前記バッテリから中間直流リンク部への充電時間として停電から復電するまでの時間に余裕時間を見込んだ所定時間としたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の交流電車の補助電源装置。

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