JP2013192408A - 電気車用電源システム及び電力供給制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電源システム1Aは、主変圧器20の二次巻線22に接続された主電動機4に電力を供給する主変換回路30と、三次巻線23に接続されて補機に電力を供給する補機用変換回路40とを備えるとともに、高速度遮断器BHBを介して補機用変換回路40の直流リンク部に接続されるともに、接触器Kpを介して主変換回路30の直流リンク部に接続されたバッテリ50Aを備えて構成される。
【選択図】図1
Description
架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、バッテリ(例えば、図1のバッテリ50A)の出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システム(例えば、図1の電源システム1A)であって、
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部(例えば、図1の主回路側コンバータ31)及び第1インバータ部(例えば、図1のインバータ32)を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路(例えば、図1の主変換回路30)と、
前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部(例えば、図1の補機側コンバータ41)及び第2インバータ部(例えば、図1の静止形インバータ42)を有し、補機に電力を供給する補機用変換回路(例えば、図1の補機用変換回路40)と、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続する第1接触器(例えば、図1の接触器Kp)と、
制御装置(例えば、図1の制御部60)と、
を備え、
前記バッテリは、前記補機用変換回路の直流リンク部に接続され、前記架線モード時に前記第2コンバータ部のコンバータ動作による2次側出力電力で充電可能に構成されており、
前記制御装置は、
前記第1接触器を開放し、前記第2コンバータ部をコンバータ動作させることで前記架線モードに切り替える架線モード切替手段と、
前記第1接触器を投入し、前記第2コンバータ部をインバータ動作させることで前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
を有する、
電気車用電源システムである。
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部及び第2インバータ部を有して補機に電力を供給する補機用変換回路と、前記補機用変換回路の直流リンク部に接続されて前記第2コンバータ部のコンバータ動作による2次側出力電力で充電可能に構成されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードと切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとの接続を開放し、前記第2コンバータ部をコンバータ動作させて前記架線モードに切り替えるステップと、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続し、前記第2コンバータ部をインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
を含む電力供給制御方法を構成しても良い。
前記第1コンバータ部は、動作停止時に純ブリッジ回路として機能するよう構成され、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第1コンバータ部の動作を停止させ、
前記バッテリモードにおいて、インバータ動作によって前記第2コンバータ部の1次側に発生する電力が前記主変圧器を介して前記第1コンバータ部に印加されるよう構成されてなり、前記バッテリモードにおける前記第1コンバータ部の2次側電圧と、前記バッテリの出力電圧とが略同一に設計されてなることを特徴とする電気車用電源システムを構成しても良い。
前記2次巻線と前記第1コンバータ部とを接続する第2接触器(例えば、図11の接触器Ks)を更に備え、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第1コンバータ部の動作を停止させるとともに、前記2接触器を開放する、
電気車用電源システムを構成しても良い。
前記制御装置は、電気車の停止時に、前記第1接触器を投入し、前記架線からの交流電力をもとに前記第1コンバータ部に前記バッテリへの充電電力を供給させる制御を行う急速充電制御手段を有する、
電気車用電源システムを構成しても良い。
<構成>
図1は、第1実施形態における電源システム1Aの回路構成図である。この電源システム1Aは、真空遮断器VCBと、主変圧器20と、主変換回路30と、補機用変換回路40と、バッテリ50Aと、接触器Kn,Kpと、高速度遮断器BHBと、リアクトルLと、制御部60とを備えて構成される。
電源システム1Aにおける走行モードを説明する。走行モードには、「架線モード」及び「バッテリモード」の2種類がある。
架線モードは、架線から供給される交流電圧(単相20000V)によって主電動機4を駆動して走行するモードである。
バッテリモードは、バッテリ50Aの蓄積電力によって主電動機4を駆動して走行するモードである。
続いて、架線の供給電力によってバッテリ50Aを急速充電する場合を説明する。なお、この急速充電は、例えば駅などの停車場の停車中に行われる。
次に、これらの走行モードの切り替えの際の制御手順を説明する。この制御は、制御部60によってなされる。
図6は、停車中から架線モードで起動する場合の制御手順である。但し、接触器Kn、及び、高速度遮断器BHBは、ともに投入されている。また、パンタグラフ2は下降され、真空遮断器VCBは開放されている。主回路側コンバータ31、インバータ32、補機側コンバータ41は、ともに動作停止している。
図7は、架線モードからバッテリモードへ切り替える場合の制御手順である。
先ず、インバータ32を停止させ(ステップB1)、次いで、主回路側コンバータ31を停止させる(ステップB3)。これにより、主回路側コンバータ31の出力端(二次側)の出力電力が「直流900V」となる。次いで、接触器Kpを投入する(ステップB5)。これにより、バッテリ50Aから放電される「900V以上」の直流電力が、主変換回路30の直流リンク部に供給され、インバータ32の入力端(一次側)に入力される。「900V以上」が中間共通電圧となる。
図8は、バッテリモードから架線モードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ32を停止させる(ステップC1)。次いで、パンタグラフ2を上昇させ(ステップC3)、真空遮断器VCBを投入する(ステップC5)。続いて、補機側コンバータ41を、変調率制御によるコンバータ動作に変更する(ステップC7)。そして、接触器Kpを開放し(ステップC9)、主回路側コンバータ31を、変調率制御によって出力電圧が「直流1800V」となるよう、コンバータ動作させる(ステップC11)。その後、インバータ32を起動(再起動)させる(ステップC13)、
図9は、停車中からバッテリモードで起動する場合の制御手順である。但し、接触器Kn、及び、高速度遮断器BHBは、ともに投入されている。また、パンタグラフ2は下降され、真空遮断器VCBは開放されている。主回路側コンバータ31、インバータ32、及び、補機側コンバータ41は、ともに動作停止している。
図10は、停車中にバッテリ50Aを急速充電する際の制御手順である。先ず、インバータ32を停止させる(ステップE1)。次いで、パンタグラフ2を上昇させ(ステップE3)、その後、真空遮断器VCBを投入する(ステップE5)。続いて、補機側コンバータ41を、動作停止、又は、出力電流(バッテリ50Aの充電電流)が「0」になるように変調率制御によるコンバータ動作をさせる(ステップE7)。そして、接触器Kpを投入する(ステップE9)。その後、主回路側コンバータ31を、所与の充電電流指令に応じた出力電流(充電電流)になるよう、変調率制御によるコンバータ動作をさせて、バッテリ50Aを充電する(ステップE11)。
このように、本実施形態の電源システム1Aは、主電動機4の駆動電力を供給する主変換回路30と、補機へ電力を供給する補機用変換回路40とを備えて構成されるとともに、バッテリ50Aが、高速度遮断器BHBを介して補機用変換回路40の直流リンク部に接続されるとともに、更に、接触器Kpを介して主変換回路30の直流リンク部に接続されている。
次に、第2実施形態を説明する。第2実施形態は、上述の第1実施形態において、主回路側コンバータ31の入力端(一次側)を、接触器Ksを介して主変圧器20の二次巻線22に接続する構成とした実施形態である。なお、以下の説明において、上述の第1実施形態と同一の構成要素については同符号を付し、詳細な説明を省略或いは簡略する。
図11は、第2実施形態における電源システム1Bの回路構成図である。電源システム1Bは、真空遮断器VCBと、主変圧器20と、主変換回路30Bと、補機用変換回路40Bと、バッテリ50Bと、接触器Kn,Kpと、高速度遮断器BHBと、リアクトルLと、制御部60Bとを備えて構成される。主変換回路30Bは、接触器Ksと、主回路側コンバータ31Bと、インバータ32Bとを有している。
続いて、電源システム1Bにおける走行モードの切り替えを説明する。
なお、架線モードにおける電力供給動作は、上述の第1実施形態における架線モードの供給動作(図2参照)と同様である。
図13は、架線モードからバッテリモードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ32Bを停止させ(ステップB1)、次いで、主回路側コンバータ31Bを停止させる(ステップB3)。続いて、接触器Ksを開放し(ステップB4)、接触器Kpを投入する(ステップB5)。そして、補機側コンバータ41Bを、CVCF制御によるインバータ動作に変更させる(ステップB7)。続いて、真空遮断器VCBを開放させ(ステップB9)、パンタグラフ2を下降させる(ステップB11)。その後、インバータ32Bを起動(再起動)させる(ステップB13)。
図14は、バッテリモードから架線モードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ32Bを停止させる(ステップC1)。次いで、パンタグラフ2を上昇させ(ステップC3)、真空遮断器VCBを投入する(ステップC5)。続いて、補機側コンバータ41Bを、変調率制御によるコンバータ動作に変更する(ステップC7)。そして、接触器Kpを開放し(ステップC9)、接触器Ksを投入する(ステップC10)。更に、主回路側コンバータ31Bを、変調率制御によって出力電圧が「直流1800V」となるよう、コンバータ動作させる(ステップC11)。その後、インバータ32Bを起動(再起動)させる(ステップC13)、
図15は、停車中からバッテリモードで起動する場合の制御手順である。但し、接触器Kn、及び、高速度遮断器BHBは、ともに投入されている。また、パンタグラフ2は下降され、真空遮断器VCBは開放されている。主回路側コンバータ31B、補機側コンバータ4B1、及び、インバータ32Bは、ともに動作停止している。
図16は、バッテリ50Bを急速充電する際の制御手順である。先ず、インバータ32Bを停止させる(ステップE1)。次いで、パンタグラフ2を上昇させ(ステップE3)、その後、真空遮断器VCBを投入する(ステップE5)。続いて、補機側コンバータ41Bを、動作停止、又は、出力電流(バッテリ50Bの充電電流)が「0」になるように変調率制御によるコンバータ動作に変更させる(ステップE7)。そして、接触器Ksを投入し(ステップE8)、接触器Kpを投入する(ステップE9)。その後、主回路側コンバータ31Bを、所与の充電電流指令に応じた出力電流(充電電流)になるよう、変調率制御によるコンバータ動作をさせて、バッテリ50Bを充電する(ステップE11)。
このように、第2実施形態における電源システム1Bは、第1実施形態における電源システム1Aにおいて、主変圧器20の二次巻線22と主回路側コンバータ31との間に、接触器Ksが接続されて構成される。そして、バッテリモードにおいて、接触器Ksを開放することで、動作停止している主回路側コンバータ31Bの出力を0(ゼロ)とすることができる。つまり、主変換回路30Bの直流リンク部には、バッテリ50Bの放電電圧のみが印加されることになる。これにより、第1実施形態における作用効果に加えて、バッテリ50Bの定格電圧を、三次巻線23の電圧の0.9倍以上の直流電圧であれば自由に設計することが可能となる。
次に、第3実施形態を説明する。第3実施形態と第1実施形態との主な違いは、主変圧器20Cの二次巻線22C及び三次巻線23Cの降圧電圧をともに等しく「1000V」とし、バッテリ50Cの定格電圧を「1500V」とし、主変換回路30C及び補機用変換回路40Cの直流リンク部をともに「1500V」とした点である。すなわち、走行モードに関わらず、直流リンク部の電圧を共通とし、中間共通電圧を「1500V」とした。なお、以下において、上述の第1及び第2実施形態と同一要素については同符号を付し、詳細な説明を省略或いは簡略する。
図17は、第3実施形態における電源システム1Cの回路構成図である。電源システム1Cは、真空遮断器VCBと、主変圧器20CCと、主変換回路30Cと、補機用変換回路40Cと、バッテリ50Cと、接触器Kn,Kpと、高速度遮断器BHBと、リアクトルLと、制御部60とを備えて構成される。
走行モードにおける電力供給動作や、第1実施形態における走行モードの切り替えの制御手順(図6〜図10参照)とほぼ同様であるが、次の2点で異なる。すなわち、架線モードにおいて、接触器Kpを開放しないこと(図6のステップA1、図8のステップC9、図10のステップE25)、バッテリモードにおいて、主回路側コンバータ31Cを停止させず、コンバータ動作をするように制御すること(図7のステップB3、図10のステップE17)である。
このように、第3実施形態における電源システム1Cは、第1実施形態の電源システム1Aと比べて、主変圧器20Cの二次巻線22C及び三次巻線23Cそれぞれの降圧電圧を等しくし、何れの走行モードにおいても、バッテリ50Cの定格電圧と、主変換回路30C及び補機用変換回路40Cの直流リンク部の直流リンク部の電圧を共通とした構成である。これにより、第1実施形態における作用効果に加えて、主変圧器20の負荷バランスや高調波低減の効果が得られる。
次に、第4実施形態を説明する。第4実施形態と第1実施形態との主な違いは、主変圧器20Dの二次巻線22D及び三次巻線23Dの降圧電圧をともに等しく「440V」とし、バッテリ50Dの定格電圧を「750V」とし、主変換回路30D及び補機用変換回路40Dの直流リンク部をともに「750V」とした点である。すなわち、走行モードに関わらず、直流リンク部の電圧を共通とし、中間共通電圧を「750V」とした。なお、以下の説明において、上述の第1〜第3実施形態と同一の構成要素については同符号を付し、詳細な説明を省略或いは簡略する。
図18は、第4実施形態における電源システム1Dの回路構成図である。電源システム1Dは、真空遮断器VCBと、主変圧器20Dと、主変換回路30Dと、補機用変換回路40Dと、バッテリ50Dと、接触器Kn,Kpと、高速度遮断器BHBと、リアクトルLと、制御部60Dとを備えて構成される。
走行モードにおける電力供給動作や、第1実施形態における走行モードの切り替えの制御手順(図6〜図10参照)とほぼ同様であるが、次の2点で異なる。すなわち、架線モードにおいて、接触器Kpを開放しないこと(図6のステップA1、図8のステップC9、図10のステップE25)、バッテリモードにおいて、主回路側コンバータ31Dを停止させず、コンバータ動作をするように制御すること(図7のステップB3、図10のステップE17)である。
このように、第4実施形態における電源システム1Dは、第1実施形態の電源システム1Aと比べて、主変圧器20Dの二次巻線22D及び三次巻線23Dそれぞれの降圧電圧を等しくし、何れの走行モードにおいても、バッテリ50Dの定格電圧と、主変換回路30D及び補機用変換回路40Dの直流リンク部の電圧を共通とした構成である。これにより、第1実施形態における作用効果に加えて、主変圧器20Dの負荷バランスや高調波低減の効果が得られる。
次に、第5実施形態を説明する。第5実施形態と第1実施形態との主な違いは、バッテリ50Eの定格電圧を「1500V」とし、バッテリモードにおける中間共通電圧を「1500V」とした点である。なお、以下の説明において、上述の第1〜第4実施形態と同一の構成要素については同符号を付し、詳細な説明を省略或いは簡略する。
図19は、第5実施形態における電源システム1Eの回路構成図である。電源システム1Eは、真空遮断器VCBと、主変圧器20と、主変換回路30Eと、補機用変換回路40Eと、バッテリ50Eと、接触器Kn,Kpと、高速度遮断器BHBと、リアクトルLと、制御部60Eとを備えて構成される。
走行モードにおける電力供給動作や、第1実施形態における走行モードの切り替えの制御手順(図6〜図10参照)とほぼ同様であるが、次の点で異なる。すなわち、バッテリモードにおいて、主回路側コンバータ31を停止させず、出力電圧が「1500V」になるようコンバータ動作をするように制御する(図7のステップB3、図10のステップE17)。
このように、第5実施形態における電源システム1Eは、バッテリ50Eの定格電圧が「1500V」に構成される。これにより、第1実施形態における作用効果に加えて、バッテリモードにおいてインバータ32Eに入力される直流電力(直流1500V)が第1実施形態の場合(直流750V)と比較して高くなることから、特にバッテリモードにおける主電動機4の駆動トルクを向上させることができる。
本実施形態における電源システム1A〜1Eを交流電気車に搭載することで、交流電気車の架線・バッテリハイブリッド化が可能となる。
これにより、様々な作用効果が奏される。
VCB 真空遮断器
20 主変圧器、21 一次巻線、22 二次巻線、23 三次巻線
30 主変換回路、31 主回路側コンバータ、32インバータ
40 補機用変換回路、41 補機側コンバータ、42 静止形インバータ
50A〜50E バッテリ
K,Ks,Kp,Kn 接触器、BHB 高速度遮断器、L リアクトル
60 制御部
Claims (5)
- 架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システムであって、
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、
前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部及び第2インバータ部を有し、補機に電力を供給する補機用変換回路と、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続する第1接触器と、
制御装置と、
を備え、
前記バッテリは、前記補機用変換回路の直流リンク部に接続され、前記架線モード時に前記第2コンバータ部のコンバータ動作による2次側出力電力で充電可能に構成されており、
前記制御装置は、
前記第1接触器を開放し、前記第2コンバータ部をコンバータ動作させることで前記架線モードに切り替える架線モード切替手段と、
前記第1接触器を投入し、前記第2コンバータ部をインバータ動作させることで前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
を有する、
電気車用電源システム。 - 前記第1コンバータ部は、動作停止時に純ブリッジ回路として機能するよう構成され、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第1コンバータ部の動作を停止させ、
前記バッテリモードにおいて、インバータ動作によって前記第2コンバータ部の1次側に発生する電力が前記主変圧器を介して前記第1コンバータ部に印加されるよう構成されてなり、前記バッテリモードにおける前記第1コンバータ部の2次側電圧と、前記バッテリの出力電圧とが略同一に設計されてなることを特徴とする請求項1に記載の電気車用電源システム。 - 前記2次巻線と前記第1コンバータ部とを接続する第2接触器を更に備え、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第1コンバータ部の動作を停止させるとともに、前記2接触器を開放する、
請求項1に記載の電気車用電源システム。 - 前記制御装置は、電気車の停止時に、前記第1接触器を投入し、前記架線からの交流電力をもとに前記第1コンバータ部に前記バッテリへの充電電力を供給させる制御を行う急速充電制御手段を有する、
請求項1〜3の何れか一項に記載の電気車用電源システム。 - 主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部及び第2インバータ部を有して補機に電力を供給する補機用変換回路と、前記補機用変換回路の直流リンク部に接続されて前記第2コンバータ部のコンバータ動作による2次側出力電力で充電可能に構成されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードと切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとの接続を開放し、前記第2コンバータ部をコンバータ動作させて前記架線モードに切り替えるステップと、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続し、前記第2コンバータ部をインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
を含む電力供給制御方法。
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