JP2010172115A - 電力供給方法及び交直流電車用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な回路構成を有する交直流電車用電源システムを提供すること。
【解決手段】直流区間では、パンタグラフ２を介してき電線から供給される直流電力が主変換装置４００の直流リンク部に印加され、インバータ部３０が主電動機３を駆動するための三相交流電力を生成する。また、直流リンク部に印加された直流電力を、逆方向運転によってＤＣ−ＤＣコンバータとして機能するコンバータ部２０が降圧して入力端から出力し、降圧した直流電力をＤＣ電源補助機器５の電源ラインＬに供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、交直流電車における電力供給方法等に関する。

交流区間と直流区間両方を走行できる電車として交直流電車が知られている。
一般的に、交直流電車は、交流区間では、パンタグラフで集電された単相交流電力を主変圧器で降圧した後にコンバータ部で直流電力に変換し、インバータ部で三相交流電力に変換して主電動機を駆動している。また、直流区間では、主変圧器及びコンバータ部を介さずに、パンタグラフで集電される直流電力をインバータ部で三相交流電力に変換して主電動機を駆動している（例えば、特許文献１）。

また、電車には、主電動機を駆動するための主回路の他に、冷暖房装置や照明装置、空気圧縮機等の補助的な機器（以下「補助機器」という。）を駆動するための補助回路がある。交直流電車の補助回路は、上述した主回路のコンバータ部に相当する補助整流装置と、主回路のインバータ部に相当する静止形インバータ部（ＳＩＶ）とを備えて構成されるのが一般的である。この補助回路においては、交流区間では、主変圧器の補助巻線で降圧された単相交流電力が補助整流装置で直流に変換され、静止形インバータ部で三相交流に変換されて補助機器に供給される。また、直流区間では、補助整流装置を介さずに、パンタグラフで集電された直流電力が静止形インバータ部で交流電力に変換されて補助機器に供給される。

特開平７−７８０８号公報

しかしながら、交直流電車は、交流区間と直流区間を走行するために上述した種々の装置を備えているが、直流区間では未使用となる装置があった。例えば、コンバータ部は高価な装置であるにもかかわらず、直流区間では作動していなかった。また、大型で且つ高価な静止形インバータ部を不要とすることができれば、床下設置スペースの点でも、コストの点でも有利である。

本発明はかかる課題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、効率的な回路構成を有する交直流電車用電源システムを提供することである。

以上の課題を解決するための第１の発明は、
交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の２次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車の電力供給方法であって、
交流区間において前記主変圧器の補助巻線から供給される交流電力を補助整流装置が直流電力に変換して補助機器の電源ラインに電力を供給する交流区間補助機器電力供給ステップと、
前記コンバータ部の入力端を、交流区間においては前記主変圧器の２次側に接続し、直流区間においては前記補助機器の電源ラインに接続する入力端接続制御ステップと、
前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してＡＣ−ＤＣコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を降圧して入力端から出力するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能させるコンバータ部制御ステップと、
を含む電力供給方法である。

また、他の発明として、
交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の２次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車用電源システムであって、
前記主変圧器の補助巻線に接続され、交流区間において補助機器の電源ラインに直流電力を供給する補助整流装置と、
前記コンバータ部の入力端を、交流区間においては前記主変圧器の２次側に接続し、直流区間においては前記補助機器の電源ラインに接続する入力端接続制御部と、
前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してＡＣ−ＤＣコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を降圧して入力端から出力するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能させるコンバータ部制御部と、
を備えた交直流電車用電源システムを構成してもよい。

この第１の発明等によれば、補助機器の電源ラインには、交流区間においては主変圧器の補助巻線及び補助整流装置を介して電力が供給されるが、直流区間においてはコンバータ部の入力端が接続されてコンバータ部から電力が供給される。そのコンバータ部は、交流区間においては入力端が主変圧器の２次側に接続されて、順方向運転によりＡＣ−ＤＣコンバータとして機能するが、直流区間においては入力端が補助機器の電源ラインに接続され、逆方向運転によってＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する。

すなわち、直流区間において、コンバータ部は、出力端にき電線からの直流電力が供給され、入力端から直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータとして運転し、出力電力を補助機器の電源ラインに供給することとなる。

従って、コンバータ部は、交流区間及び直流区間の何れの区間においても使用されるため、利用率の向上を実現できる。また、補助機器の電源ラインには交流区間であろうと直流区間であろうと直流電力が供給されることとなるため、直流電力を電源とする一般的な交流電車の補助機器類を交直流電車に装備することとで、静止形インバータ装置を不要とすることができる。

また、第２の発明として、第１の発明の電力供給方法であって、
前記交直流電車は、前記主変換装置を備える複数の車両で編成されてなり、
前記入力端接続制御ステップは、前記直流区間において、前記主変換装置それぞれの前記コンバータ部の入力端を、前記補助機器の電源ラインに並列接続するステップである、
電力供給方法を構成することとしてもよい。

直流区間においてもコンバータ部が使用される結果、コンバータ部の故障率が向上し得る。コンバータ部が故障した場合には、後段のインバータ部に電力を供給することができず、交流区間において主電動機を駆動できなくなるが、他車両の主電動機が不足分のトルクを補うことで列車を走行させることが可能である。しかし、直流区間では補助機器への電源供給が停止するため、補助機器が作動できない事態が生じる。そこで、第２の発明のように、直流区間においては、各車両の主変換装置それぞれのコンバータ部の入力端を補助機器の電源ラインに並列接続させるように構成することで、１つの車両のコンバータ部が故障した場合であっても、他の車両のコンバータ部が補助機器に電力を供給でき、補助機器が作動不能となる事態を回避することができる。

本実施形態の交直流電車用電源システムの回路構成の一例を示す図。 本実施形態の交直流電車用電源システムの回路構成の一例を示す図。 コンバータ部の回路構成の一例を示す図。 交直流電車用電源システムの変形例を示す図。 従来の交直流電車用電源システムの回路構成の一例を示す図。 従来の交直流電車用電源システムの回路構成の一例を示す図。

以下、図面を参照して、本発明に好適な実施形態の一例を説明する。但し、本発明を適用可能な実施形態がこれに限定されるわけではない。

１．従来の交直流電車用電源システム
本発明を適用した実施形態を説明する前に、従来の交直流電車用電源システムの回路構成について簡単に説明する。図５，６は、従来の交直流電車用電源システム１０００の概略的な回路構成を示す図であり、図５は、交流区間を走行する際の電力供給動作を、図６は、直流区間を走行する際の電力供給動作を示している。

交直流電車用電源システム１０００は、主変圧器７０と、主変換装置４００と、補助整流装置６００と、静止形インバータ９００と、複数のスイッチ部とを備えて構成され、主電動機３を駆動するための電力供給系統である主回路と、補助機器を駆動するための電力供給系統である補助回路とに大別される。また、主変換装置４００は、コンバータ部２００と、インバータ部３０と、インバータ部３０の入力端に並列接続されたフィルタコンデンサ３１とを備えて構成される。また、図示していないが、交直流電車用電源システム１０００は、各種のスイッチ部を制御するとともに、交直流電車用電源システム１０００を統括的に制御する制御装置を備える。

スイッチ部５０−１，５０−２，５０−３，８１は、接触器や高速度遮断器等で構成される公知のスイッチ機構を有する。スイッチ部８１は、交流区間（図５）においては、主変圧器７０をパンタグラフ２に接続し、直流区間（図６）においてはコンバータ部２００とインバータ部３０間の直流リンク部をパンタグラフ２に接続するように切り替えられる。スイッチ部５０−１，５０−２は、交流区間においては開動作し（図５）、直流区間においては閉動作するように制御され（図６）、スイッチ部５０−３は、交流区間においては閉動作し（図５）、直流区間においては開動作する（図６）ように制御される。

全体として、交直流電車用電源システム１０００の主回路側は、交流区間においては、パンタグラフ２を介してき電線から供給される単相交流電力を主変圧器７０が降圧し、降圧された交流電力をコンバータ部２００が直流電力に変換し、更にインバータ部３０が三相交流電力を生成して主電動機３を駆動する。また、補助回路側は、主変圧器７０の補助巻線７７を通じて供給される交流電力を補助整流装置６００が直流電力に変換し、更に静止形インバータ９００が三相交流電力に変換してＡＣ三相電源補助機器６の電源ラインに供給する。

一方、直流区間においては、主回路側は、パンタグラフ２を介してき電線から供給される直流電力が主変換装置４００の直流リンク部に印加され、インバータ部３０が主電動機３を駆動するための三相交流電力を生成する。補助回路側は、静止形インバータ部９００の入力端にパンタグラフ２からの直流電力が印加され、静止形インバータ部９００が三相交流電力を生成してＡＣ三相電源補助機器６の電源ラインに供給する。

従って、直流区間においては、コンバータ部２００及び補助整流装置６００が非稼動の状態となる。また、交直流電車用電源システム１０００の補助回路は、交流区間及び直流区間の双方に対応するために静止形インバータ９００を備えて構成され、冷暖房装置等の比較的大容量の補助機器をＡＣ三相電源補助機器６として構成されていた。

勿論、ＡＣ単相電源の補助機器や直流電源の補助機器も搭載されるが、これらの補助機器用の電源は、静止形インバータ９００の後段に接続された補助変圧器や補助整流器によって供給されていた。

２．本発明を適用した交直流電車用電源システムの実施形態
図１，２は、本発明を適用した交直流電車用電源システム１の概略的な回路構成を示す図であり、図１は、交流区間を走行する際の電力供給動作を、図２は、直流区間を走行する際の電力供給動作を示している。尚、従来の交直流電車用電源システム１０００と同一の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。

交直流電車用電源システム１は、制御装置１０と、主変換装置４０と、補助整流装置６０と、主変圧器７０と、複数のスイッチ部とを備えて構成される。従来の交直流電車用電源システム１０００と大きく異なる点は、コンバータ部２０及び補助整流装置６０それぞれと主変圧器７０との間にスイッチ部８３（８３−１，８３−２），８７（８７−１，８７−２）が設けられ、コンバータ部２０の入力端と補助機器の電源ラインＬとがスイッチ部８５（８５−１，８５−２）を介して接続され、静止形インバータ９００が不要とされている点と、コンバータ部２０の構成が異なる点である。また、冷暖房装置等の比較的大容量の補助機器は、ＡＣ三相電源補助機器６からＤＣ電源補助機器５に置き換えられている。

スイッチ部８１，８３，８７，８５は、接触器や高速度遮断器等で構成される公知のスイッチ機構を有して構成され、制御装置１０によって開閉動作又は切替動作が制御される。スイッチ部８１は、交流区間（図１）においては、主変圧器７０をパンタグラフ２に接続し、直流区間（図２）においてはコンバータ部２０とインバータ部３０間の直流リンク部をパンタグラフ２に接続するように切り替えられる。スイッチ部８３，８７は、交流区間においては閉動作し（図１）、直流区間においては開動作するように制御され（図２）、スイッチ部８５は、交流区間においては開動作し（図１）、直流区間においては閉動作する（図２）ように制御される。

図３は、コンバータ部２０の概略回路構成を示す図である。コンバータ部２０は、ＰＷＭコンバータ装置２３の前段にスイッチ回路部２１を備えて構成される。ＰＷＭコンバータ装置２３は、スイッチ回路部２１の開閉動作と相俟って、交流区間においては順方向運転によってＰＷＭコンバータとして機能し、直流区間においては逆方向運転によって多相多重のチョッパ回路として動作制御されてＤＣ−ＤＣコンバータとして機能するように制御される。この運転方向の制御及びスイッチ回路部２１の開閉動作は、制御装置１０からの制御信号に基づいて制御される。直流区間におけるスイッチ回路部２１のスイッチ動作は、図３に示す通りであり、交流区間においては開閉が逆に制御される。尚、コンバータ部２０をＤＣ−ＤＣコンバータとして逆方向運転させる構成自体は公知の技術を適用可能であるため、詳細な説明は省略する。

また、コンバータ部２０の入力端は、スイッチ部８３を介して主変圧器７０の２次巻線８３に接続され、コンバータ部２０の出力端（主変換装置４０の直流リンク部）は、スイッチ部８１を介してパンタグラフ２に接続される。

従って、コンバータ部２０は、交流区間においては、２次巻線７３からの単相交流電力を直流電力に変換して直流リンク部に出力し、直流区間においては、パンタグラフ２を介してき電線から直流リンク部に印加された直流電力を降圧して入力端から出力するように動作制御される。

交直流電車用電源システム１の全体回路動作は次のようになる。すなわち、交流区間においては、図１に示す通り、パンタグラフ２を介してき電線から供給される単相交流電力を主変圧器７０が降圧し、降圧された交流電力をコンバータ部２０が直流電力に変換し、インバータ部３０が三相交流電力を生成して主電動機３を駆動する。また、主変圧器７０の補助巻線７７を通じて供給される単相交流電力を補助整流装置６００が直流電力に変換して、ＤＣ電源補助機器５の電源ラインＬに供給する。

一方、直流区間においては、図２に示す通り、パンタグラフ２を介してき電線から供給される直流電力が主変換装置４００の直流リンク部に印加され、インバータ部３０が主電動機３を駆動するための三相交流電力を生成する。また、直流リンク部に印加された直流電力を、逆方向運転されるコンバータ部２０が降圧して入力端から出力し、降圧した直流電力をＤＣ電源補助機器５の電源ラインＬに供給する。

従って、コンバータ部２０は、交流区間及び直流区間の何れの区間においても使用される。また、補助機器の電源ラインＬには交流区間であろうと直流区間であろうと直流電力が供給されることとなる。ＤＣ電源補助機器５は、直流電力を電源とする一般的な電車の補助機器類で構成可能である。このため、静止形インバータ装置を必要としない補助回路を実現できる。

尚、上述した実施形態においては、コンバータ部２０が常時稼動している状態となるため、従来の交直流電車用電源システム１０００に比べて故障率が向上する可能性がある。コンバータ部２０が故障した場合、交流区間において主電動機３を駆動するための電力を供給できなくなるが、編成内の他のＭ車によって不足分のトルクが補われるため、列車の走行は可能である。しかし、直流区間においては、補助機器の電源ラインＬへの電力供給ができなくなるため、補助機器が作動できない事態が生じる。

そこで、図４に示すように、直流区間においては、編成内の複数のＭ車に搭載された主変換装置４０それぞれのコンバータ部２０の入力端を、補助機器の電源ラインＬに並列接続させる交直流電車用電源システム１Ａを構成する。図４の各スイッチは、直流区間における開閉動作を示している。このように構成することで、１つの車両のコンバータ部が故障した場合であっても、補助機器が動作不能となる事態を回避することができる。

１，１Ａ 直流電車用電源システム
１０ 制御装置
４０ 主変換装置
２０ コンバータ部
３０ インバータ部
６０ 補助整流装置
７０ 主変圧器
７３ ２次巻線
７７ 補助巻線
８１，８３，８５，８７ スイッチ部
２ パンタグラフ
３ 主電動機
５ ＤＣ電源補助機器
７ 接地

Claims (3)

1. 交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の２次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車の電力供給方法であって、
   交流区間において前記主変圧器の補助巻線から供給される交流電力を補助整流装置が直流電力に変換して補助機器の電源ラインに電力を供給する交流区間補助機器電力供給ステップと、
   前記コンバータ部の入力端を、交流区間においては前記主変圧器の２次側に接続し、直流区間においては前記補助機器の電源ラインに接続する入力端接続制御ステップと、
   前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してＡＣ−ＤＣコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を降圧して入力端から出力するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能させるコンバータ部制御ステップと、
   を含む電力供給方法。
2. 前記交直流電車は、前記主変換装置を備える複数の車両で編成されてなり、
   前記入力端接続制御ステップは、前記直流区間において、前記主変換装置それぞれの前記コンバータ部の入力端を、前記補助機器の電源ラインに並列接続するステップである、
   請求項１に記載の電力供給方法。
3. 交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の２次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車用電源システムであって、
   前記主変圧器の補助巻線に接続され、交流区間において補助機器の電源ラインに直流電力を供給する補助整流装置と、
   前記コンバータ部の入力端を、交流区間においては前記主変圧器の２次側に接続し、直流区間においては前記補助機器の電源ラインに接続する入力端接続制御部と、
   前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してＡＣ−ＤＣコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を降圧して入力端から出力するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能させるコンバータ部制御部と、
   を備えた交直流電車用電源システム。

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