JP2013211964A - 鉄道車両の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】架線からの電力供給が途絶えた場合でも蓄電池を搭載した高速域回生ブレーキ対応鉄道車両の走行を可能する。
【解決手段】鉄道車両の駆動装置は、集電装置(8)により架線から入力された高電位の直流電を交流電力に変換するインバータ装置(2)と、交流電動機(3)と、インバータ装置(2)の高電位側に接続された充放電可能な電力蓄電装置(1)を備えている。インバータ装置(2)の低電位側と電力蓄電装置(1)の低電位側を接続し、インバータ装置(2)の高電位側と集電装置(8)の間に第1の遮断機(51)、インバータ装置(2)の高電位側と電力蓄電装置(8)の高電位側の間に第2の遮断機(52)を配置し、電源制御装置(15)により、架線からの電力供給がある場合には、第1の遮断機(51)をON、第2の遮断器(52)をOFFにし、架線からの電力供給がない場合には、第1の遮断機(51)をOFF、第2の遮断器(52)をONにして、電力蓄電装置(1)から電力の供給を受けるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、集電装置により架線から入力された高電位の直流電を交流電力に変換するインバータ装置と、該インバータ装置により駆動される少なくとも１つ以上の交流電動機と、インバータ装置の高電位側に接続された充放電可能な電力蓄電装置を備えた鉄道車両の駆動装置に関する。

可変電圧、可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータ制御により誘導電動機を駆動する、いわゆるインバータ鉄道車両において、停止間際に空気ブレーキを使用せずモータを発電機として使うことで得られるブレーキ力で鉄道車両を停車させる、回生ブレーキが実用化されている。
空気ブレーキに頼らず、回生ブレーキだけで停止力が得られると、運動エネルギーを電力として回収することでエネルギー効率を向上させるとともに、ブレーキシューの磨耗の抑制につながり、車両の省メンテナンスを実現し、しかも空気ブレーキのようにブレーキ力の立ち上がり遅れが無いため、停止精度の向上にも寄与する。
このように、回生ブレーキだけで鉄道車両を停止させることができれば、様々なメリットがあるが、実際には誘導電動機やインバータ装置の電流制限などにより、車両の最高速度域では必要なブレーキ力を得られず、その不足分を補うために空気ブレーキを併用しなくてはならない。

この対策として、回生ブレーキ時に、誘導電動機やインバータ装置の駆動電圧を上昇させることで、誘導電動機やインバータ装置の電流制限によるブレーキ力の不足を解消する技術が下記特許文献１に記載されている。特許文献１によれば、インバータ装置と電力蓄電手段、いわゆるバッテリーを直列に接続し、インバータ装置の入力電圧を、架線電圧よりもバッテリー電圧の分だけ昇圧する。これにより誘導電動機に印加される電圧を増加させ、誘導電動機のブレーキ力増加を可能としている。

特開２００８−２７８６１５号公報

しかしながら、特許文献１に開示の装置は、バッテリーがインバータ装置と直列に接続されているため、バッテリーを搭載しているにもかかわらず架線停電などの際にバッテリーに蓄えられた電力を使ってインバータ装置を駆動する、いわゆる緊急時バッテリー走行等ができないという問題があった。
本発明はこれを解消するものであって、蓄電池を搭載した高速域回生ブレーキ対応鉄道車両で架線からの電力供給が途絶えた場合でも車両の走行を可能にする鉄道車両用駆動装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明においては、架線からの電力を取り込む集電手段と、インバータ装置と、電力蓄電手段から構成された鉄道車両において、インバータ装置と電力蓄電手段との接続を切り換えることのできる電源制御装置を設け、架線に電力が供給されている時には、インバータ装置に印加する電圧を電力蓄電手段により昇圧することで、走行性能を向上させるとともに、架線からの電力供給が停止した時には、電力蓄電手段からインバータ装置に対して電力を供給するようにして、車両を走行可能とする。
また、前記電力蓄電手段を蓄電池と前記蓄電池の出力電圧を調整する変換器から構成することで、架線から電力供給を受ける場合には、前記インバータの電圧の調整を行うとともに、架線から電力供給を受けられない場合には、蓄電池への充放電電流を調整する。

より具体的には、本発明の鉄道車両の駆動装置においては、次のような技術的手段を講じた。すなわち、
（１）集電装置により架線から供給された高電位の直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、該インバータ装置により駆動される少なくとも１つ以上の交流電動機と、回生ブレーキ時に前記インバータ装置の駆動電圧を上昇させる電力蓄電装置を備えた鉄道車両の駆動装置において、前記インバータ装置の低電位側と前記電力蓄電装置の低電位側を接続するとともに、前記インバータ装置の高電位側と前記集電装置の間に第１の遮断機、前記インバータ装置の高電位側と前記電力蓄電装置の高電位側との間に第２の遮断機をそれぞれ配置し、前記架線からの電力供給がある場合には、前記第１の遮断機をＯＮ、前記第２の遮断器をＯＦＦにして前記インバータ装置が前記架線から電力供給を受けるようにするとともに、前記架線からの電力供給がない場合には、前記第１の遮断機をＯＦＦ、前記第２の遮断器をＯＮにして、前記インバータ装置が前記電力蓄電装置から電力供給を受けるようにする電源制御装置を設けた。

（２）上記の鉄道車両の駆動装置において、前記第１及び第２の遮断機は、前記インバータ装置が駆動していない状態で切り換えるようにした。

（３）上記の鉄道車両の駆動装置において、前記電力蓄電装置を、蓄電池と蓄電池の出力電圧を調整する変換器とで構成することにより、前記電源制御装置が前記インバータ装置と前記電力蓄電装置を直列に接続した場合は、前記電力蓄電装置の出力電圧を前記変換器に調整するとともに、前記インバータ装置と前記電力装置を並列に接続した場合には、前記蓄電池に充放電される電流を調整するようにした。

本発明によれば、架線から電力供給を受けられる区間においては、インバータ装置と電力蓄電手段とを直列接続してインバータ装置に印加する電圧を昇圧することで、鉄道車両の回生ブレーキが作用する速度域を拡大するとともに、架線から電力供給を受けられない区間においては、電力蓄電手段からインバータ装置に対して電力を供給するよう切り換えることで、電力蓄電手段に蓄えられた電力を利用した鉄道車両の走行を可能にする。
また、蓄電装置を蓄電池とその電圧を調整する電力変換器から構成することで、架線から電力供給を受けられる区間では、インバータ装置の昇圧電圧を調整するとともに、架線から電力供給が受けられない区間では、蓄電池からの放電量、回生ブレーキ時の蓄電池への充電量を調整することにより、蓄電池の充放電管理を行うことができる。

本発明の実施例１による鉄道車両の駆動回路の概略図 本発明の実施例１における電力変換器の架線電圧と直流電源電圧とインバータ電圧の関係を示す概略図 本発明の実施例１による鉄道車両の駆動回路の他の例を示す概略図 本発明の実施例１における架線から電力供給がある状態から架線から電力供給がない状態への遷移を示す図 本発明の実施例１における架線から電力供給がない状態から架線から電力供給がある状態への遷移を示す図 本発明の実施例１で架線からの電力供給が受けて力行する際の電流経路を示す図 本発明の実施例１で回生ブレーキ時に発生する回生電流を架線に戻す際の電流経路を示す図 本発明における実施例１で、架線からの電力供給がない場合の力行時の電流経路を示す図 本発明における実施例１で、架線からの電力供給がない場合の回生時の電流経路を示す図 本発明の実施例２による鉄道車両の駆動回路の概略図 本発明の実施例２で回生ブレーキ時に発生する回生電流を架線に戻す際の電流経路を示す図 本発明の実施例２で架線からの電力供給が受けて力行する際の電流経路を示す図 本発明における実施例２で、架線からの電力供給がない場合の力行時の電流経路を示す図 本発明における実施例１で、回生ブレーキ時に発生する回生電流を架線に戻す際の電流経路を示す図

以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。

［実施例１］
図１に本発明に関わる鉄道車両用電気車の駆動システムの実施例１の構成を示す。
架線から直流電力を得る集電装置８と、フィルタリアクトル６、及び、フィルタコンデンサ４と、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の３相交流に変換するインバータ装置２と、インバータ装置２により駆動される少なくとも１つ以上の交流誘導電動機３ａ、３ｂと、充放電可能な電力蓄電装置１と、４つの遮断機から構成される切換え装置５(第１の遮断機として遮断機５１、第２の遮断機として遮断機５２、第３の遮断機としての遮断機５３及び第4の遮断機としての５４から構成)、この切換装置５を制御する電源制御装置１５とから構成されている。
また、図３は、図１に対し、インバータ装置２の高電位側と遮断機５２の高電位側との間に突入電流防止のための遮断機７１と抵抗器７２とを並列に接続した突入電流防止装置７を加えたものである。なおフィルタコンデンサ４の電圧は、インバータ装置２の高電位側と低電位側間の電圧と等しくなる。
また、電源制御装置１５には、架線と接地９間の電圧及び、架線からの電流を検知する電圧センサ及び電流センサを有しており、この電圧及び電流センサを監視することで、架線からの電力供給の有無を判断する。

本実施例の特徴は、電源制御装置１５により切換装置５を切り換え、電力蓄電装置１とインバータ装置２の接続を、架線からの電力の供給状態に合わせて切換可能とした点にある。
図４、図５に、電力蓄電装置１とインバータ装置２との接続の切り換えについて、遮断機５及び突入電流防止装置７の動きとあわせて説明する。

図４は、架線からの電力供給がある状態から、無い状態に変化した場合の遷移を示している。
ここで区間Ａは架線からの電力供給がある状態であり、区間Ｂ以降が、電力供給が無い状態を示している。区間Ａにおいて、電源装置１５が、架線からの電力供給を検出している場合には、遮断機５１、５３、７１をＯＮとし、５２、５４をＯＦＦとする。
区間Ａにおいて、車両が力行する際は、集電装置８から取り入れた電力は、集電装置８→遮断機５１→フィルタリアクトル６→遮断機７１→インバータ装置２の高電位側→インバータ装置２の低電位側→電力蓄電装置１の低電位側１０ｂ→電力蓄電装置１の高電位側１０ａ→遮断機５３→接地９と流れ、フィルタコンデンサ４は、架線電圧と電力蓄電装置１の和となる。
また、回生時は電力の流れの向きが上記と逆となる。ここでは図示しないが、区間Ａにおいて、遮断機５１、５４、７１をＯＮとし、５２、５３をＯＦＦとすると、力行時の電力の流れは、集電装置８→遮断機５１→フィルタリアクトル６→遮断機７１→インバータ装置２の高電位側→インバータ装置２の低電位側→遮断機５４→接地９と流れ、フィルタコンデンサ４の電圧は架線電圧と等しくなる。

次に、車両が区間Ａから区間Ｂに進入すると、架線からの電力供給が無い状態となる。電源制御装置１５がこれを検出すると、まず、遮断機５１、５３、７１をＯＦＦ、遮断機５４をＯＮとし、集電装置８とフィルタリアクトル６の接続を切断するとともに、インバータ装置２の低電位側を接地９と接続する。これにより、架線とインバータ装置２との接続を切り離しと、突入電流抵抗７１の有効化を行う。

続いて、車両が区間Ｃに進入したとき、電源制御装置１５は遮断機５２をＯＮとする。これにより、電力蓄電装置１の高電位側１０ａは、突入電流防止抵抗７１を介して、インバータ装置２の高電位側に接続される。このとき、電力蓄電装置１とフィルタコンデンサ４には電位差が発生するが、突入電流防止抵抗７１の抵抗値とフィルタコンデンサ４の容量の積で決まる時定数で緩やかに、フィルタコンデンサ４の電圧は、電力蓄電装置１の電圧まで減少する。

車両が区間Ｄに進入したとき、電源制御装置１５が、フィルタコンデンサ４の電圧が電力蓄電装置１の電圧と等しくなったのを検知すると、遮断機７１をＯＮとし、突入電流防止抵抗７１を無効化し、電力蓄電装置１の高電位側１０ａとインバータ装置２の高電位側を直結する。なお、区間Ｂが存在するのは、遮断機５１を確実にＯＦＦした後に、遮断機５２をＯＮとするためである。
遮断機５１のＯＮ→ＯＦＦ切換動作と、遮断機５２のＯＦＦ→ＯＮ切換動作を同時に行った場合、仮に、遮断機５１のＯＦＦへの切り換えが遅れ、遮断機５１と遮断機５２が両方ＯＮとなる状態が存在すると、集電装置８と電力蓄電装置１がフィルタリアクトル６を介して接続される。架線電圧と電力蓄電装置１は電圧が異なるため、電力蓄電装置１に過電圧がかかり、故障の原因となる。
また、このとき、遮断機５３がＯＮの状態ならば、集電装置８と接地９が遮断機５１と遮断機５３及びフィルタリアクトル６を介して、短絡されるため、集電装置８及びフィルタリアクトル６が過電流(短絡電流)により、破壊される危険があるためである。

遮断機５３のＯＮ→ＯＦＦの切り換えと遮断機５４のＯＦＦ→ＯＮの切り換えは、同じ区間Ｂで行うが、遮断機５３のＯＦＦを確認してから、遮断機５４のＯＮへの切り換えを行う。これにより、遮断機５３と５４が同時にＯＮとなり、電力蓄電装置１の高電位側１０ａと低電位側１０ｂとが短絡されるのを防ぐことができる。
そこで、まず遮断機５１のＯＦＦを確認した後に、遮断機５２をＯＮすることにした。
また、乗り心地を向上させるため、区間Ｂ〜区間Ｃは、インバータ装置２はモータ３への電力供給及び回生制御を中止し、電圧変化によるショックをなくすとともに、フィルタコンデンサ４の電圧に合った制御を行うことで、加減速をスムーズに行うようにする。

一方、図５は、架線からの電力供給がない状態から、ある状態に変化した場合の動きである。ここで区間Ａは架線からの電力供給がない状態であり、区間Ｂ以降は電力供給がある状態である。
区間Ａでは、電源装置１５は架線からの電力供給がないことを検出しており、遮断機５２、５４、７１をＯＮとし、５１、５３をＯＦＦとする。区間Ａにおいて、車両が力行する際は、電力蓄電装置１から放電された電力が、電力蓄電装置１の高電位側１０ａ→遮断機５２→遮断機７１→インバータ装置２の高電位側→インバータ装置２の低電位側→電力蓄電装置１の低電位側１０ｂと流れ、フィルタコンデンサ４の電圧は、電力蓄電装置１の電圧と等しくなる。また、回生時は電力の流れが上記と逆になる。

次に、車両が区間Ａから区間Ｂに入ると、架線からの電力供給がある状態となる。電源制御装置１５がこれを検出すると、まず、遮断機５２、７１をＯＦＦとし、電力蓄電装置１と突入電流防止装置７との接続を切断するとともに、突入電流抵抗７１の有効化を行う。
続いて、電源制御装置１５は、区間Ｃで、遮断機５１をＯＮとする。
これにより、集電装置８とフィルタリアクトル６とが接続され、架線からの電力供給がフィルタリアクトル６、突入電流防止抵抗７１を介して、インバータ装置２の高電位側に供給される。このとき、集電装置８とフィルタコンデンサ４には電位差が発生するが、突入電流防止抵抗７１の抵抗値とフィルタコンデンサ４の容量の積で決まる時定数で緩やかに、フィルタコンデンサ４の電圧は、架線電圧まで上昇する。

区間Ｄで、電源制御装置１５が、フィルタコンデンサ４の電圧が架線電圧と等しくなったのを検知すると、電源制御装置１５は遮断機５４をＯＦＦとし、その後、遮断機５３をＯＮとする。
最初に遮断機５４をＯＦＦにするのは、前述のとおり、遮断機５３と５４が同時にＯＮとなり、電力蓄電装置１の高電位側１０ａと低電位側１０ｂが短絡されるのを防ぐためである。区間Ｄでの力行時は、集電装置８から取り入れた電力は、集電装置８→遮断機５１→フィルタリアクトル６→遮断機７１→インバータ装置２の高電位側→インバータ装置２の低電位側→電力蓄電装置１の低電位側１０ｂ→電力蓄電装置１の高電位側１０ａ→遮断機５３→接地９と流れ、フィルタコンデンサ４には、架線電圧と電力蓄電装置１の電圧の和がかかるため、突入電流防止抵抗７１の抵抗値とフィルタコンデンサ４の容量の積で決まる時定数で緩やかに、フィルタコンデンサ４の電圧は、架線電圧と電力蓄電装置１の電圧の和まで上昇する。

区間Ｅに進入したとき、フィルタコンデンサ４の電圧が架線電圧と電力蓄電装置１の電圧の和まで上昇したのを確認すると、電源制御装置１５は遮断機７１をＯＮとし、突入電流防止抵抗７１を無効化する。
なお、乗り心地を向上させるため、区間Ｂ〜区間Ｄは、インバータ装置２はモータ３への電力供給及び回生制御を中止し、電圧変化によるショックをなくすとともに、フィルタコンデンサ４の電圧に合った制御を行うことで、加減速をスムーズに行うようにする。

以下に動作を説明する。なお、図６、図７は、架線から電力供給を受けている状態での力行時、回生時の状態をそれぞれ示し、図８、図９は、架線からの電力供給がない状態での力行時、回生時の状態をそれぞれ示している。

架線から電力が供給されている場合、図６、図７に示すように、電源制御装置１５は、力行時、回生時いずれの場合も、遮断機５１、５３はＯＮ、遮断機５２、５４はＯＦＦとする。
力行時には、図３に示すように、架線より集電装置８を介して集電された直流電力は、遮断機５１、フィルタリアクトル６及びフィルタコンデンサ４から構成されるＬＣ回路を介して、インバータ装置２に供給される。

インバータ装置２で、集電装置８から供給される直流電源が交流電源に変換され、誘導電動機３を駆動する。インバータ装置２に供給された電流は、インバータ装置２の低電位側の端子より、蓄電装置１の低電位側１０ｂ、高電位側１０ａを経由して接地９に流れる。
つまり、図２に示すように、インバータ装置２の高電位側端子の電位は、接地点９を基準電位と考えると、架線電圧Ｅｓに等しい。また、インバータ装置２の低電位側の端子の電位は、接地点９に対して蓄電装置１の端子間電圧Ｅｂだけ引き下げられることから、インバータ装置２の端子間電圧をＥｂ＋Ｅｓまで引き上げることが可能となる。この構成によれば、インバータ装置２の端子間電圧を上げ、力行時に必要な電流を減らせるという効果もある。
一方、回生時は、図４に示すように誘導電動機３を発電機として動作させ、発生した交流電流はインバータ装置２で直流電流に変換され、力行時の蓄電装置１からの放電分を補うとともに、余剰分が架線側に回生されることになる。

この時、図２に示すようにインバータ装置２に印加される直流電力Ｅｃｆは、架線電圧Ｅｓに対し、蓄電装置１の電圧Ｅｂ分昇圧され、Ｅｃｆ＝Ｅｂ＋Ｅｓとなる。これにより最高速度域までブレーキ力を確保することが可能となる。

続いて、架線から電力が供給されない場合について説明する。
この場合、電源制御装置１５は、集電装置８から直流電源が供給されているのを検出し、図８、図９に示すように、力行時、回生時いずれの場合も、遮断機５１、５３はＯＦＦ、遮断機５２、５４はＯＮに切り換える。
これにより、フィルタリアクトル６は、集電装置８と切り離され、蓄電装置１の高電位側１０ａが突入電流防止装置７と接続される。これにより、力行時は、図５に示すように、蓄電装置１から放電された電力がインバータ装置２に供給され、誘導電動機３を駆動する。また、回生時には、図６に示すように、誘導電動機３を発電機として動作させ、発生した交流電力はインバータ装置２にて直流電力に変換され、蓄電装置１に充電される。この時、インバータ装置２に印加される直流電圧は、蓄電装置１の電圧Ｅｂとなる。

このように、遮断機５１、５２、５３、及び５４を切り換えることにより、架線から電力供給がある場合においては、高速域の回生拡大により省エネを実現するとともに、架線からの電力供給がない場合には、蓄電装置１に蓄えられた電力を使用して、走行することができる。
なお、電源制御装置１５は、遮断機５１、５２、５３及び５４は、遮断機に電流が流れていない状態、つまり、インバータ装置２が駆動されていない状態で切り換える。

ここで、遮断機５１と５２が切り換わる際には、同時ＯＮにより、架線と接地９が短絡するのを防止するため、必ず、遮断機５１と５２が両方ともＯＦＦの状態に移行してから、目的の遮断機をＯＮにする。その後、架線駆動モードに移行する際には、遮断機５１をＯＮに、また、電池駆動モードに移行する際には、遮断機５２をＯＮにする。
遮断機５３と５４を切り換える際には、同時ＯＮにより、電力蓄電装置１の高電位側１０ａと低電位側１０ｂが短絡するのを防止するため、必ず、遮断機５３と５４が両方ともＯＦＦの状態に移行してから、目的の遮断機をＯＮにする。
例えば、鉄道車両が走行中、架線からの電力が供給されている状態から供給されない状態に遷移したとき、電源制御装置１５は、遮断機５１をＯＮからＯＦＦに切り換えた後、遮断機５２をＯＦＦからＯＮに切り換えるようにする。
これにより、力行及び回生電流の経路が一旦遮断され、誘導電動機３への電力供給が途絶えることで、車両の乗り心地が悪化することを防ぐ。

［実施例２］
図１０に本発明に関わる電気車の駆動システムの実施例２を示す。
図１０は図３と基本構成はほぼ同様であり、蓄電装置１が蓄電池と電力変換器（チョッパ）により構成されているところが異なる。ここでは、蓄電装置１以外は図３と同じであることから、蓄電装置１の構成のみ説明する。
蓄電装置１は蓄電池１１、スイッチング素子１３ａ、１３ｂとダイオード１４ａ、１４ｂから構成されている。
スイッチング素子１３ａ、１３ｂは、半導体素子による電流遮断手段であり、その入出力端子に、導通方向とは反対向きにダイオード素子１４ａ、１４ｂが並列に接続されチョッパを構成している。また、スイッチング素子１３ａ、１３ｂは直列に接続され、その接続点である端子１０ａが接地９と接続される。また、直列に接続されたスイッチング素子１３ａ、１３ｂは、蓄電池１１とコンデンサ１２と並列に接続される。蓄電池１１の低電位側が蓄電装置１の低電位側の端子１０ｂとなり、インバータ装置２の低電位側に接続される。

架線から電力供給がある場合の動作を、図１１を用いて説明する。
回生時は誘導電動機３を発電機として動作させ、誘導電動機３から発生した交流電力は、インバータ装置２にて直流電力に変更される。この時、インバータ装置２の直流側の電流（回生電流）は、接地点９から蓄電装置１、インバータ装置２、集電装置８を経由して、架線に流れる。
このとき、蓄電装置１内のスイッチング素子１３ａ、１３ｂをともにＯＦＦにした場合においては、図８の実線の経路に示すように、接地点９からの回生電流は、スイッチング素子１３ａに並列に接続されたダイオード１４ａを経由して、蓄電池１１の高電位側の端子から低電位側の端子を流れた後、インバータ装置２の低電位側の端子に流れる。
これにより、蓄電池１１に回生で電流が充電されるとともに、インバータ装置２の低電位側の端子電圧は、接地点９を基準として、蓄電池１１の端子間電圧Ｅｂだけ引き下げられる。

一方、インバータ装置２の高電位側端子の電位は、接地点９を基準電位と考えると、架線電圧Ｅｓに等しい。つまり、インバータ装置２の入出力端子間（高電位側〜低電位側）の電位差は、蓄電池１１の端子間電圧Ｅｂと架線電圧Ｅｓの和、Ｅｂ＋Ｅｓとなる。このようにして、インバータ装置２の入出力端子間の電位差を蓄電池１１の端子間電圧Ｅｂだけ引き上げることにより、インバータ装置２の最大通流電圧を変えることなく、最大回生電力を（Ｅｓ＋Ｅｂ）／Ｅｓだけ拡大することができる。この時、蓄電池１１には端子間電圧Ｅｂと蓄電装置１の通過電流（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｅｂ×Ｉｂに相当する電力が充電される。

また、蓄電装置１による昇圧電圧は、スイッチング素子１３ｂを周期的にＯＮ／ＯＦＦ制御することにより０［Ｖ］〜Ｅｓ［Ｖ］まで連続的に変化させることができる。スイッチング素子１３ｂがＯＦＦの場合は、上述のように、端子１０ａからの回生電流は、ダイオード１４ａを経由して、蓄電池１１の高電位側から低電位側に流れる。一方、スイッチング素子１３ｂがＯＮの場合には、端子１０ａからの回生電流は、スイッチング素子１３ｂを経由して、蓄電池１１を通らずに、端子１０ｂに抜けていく（図８の点線の経路）。つまり、スイッチング１３ｂのＯＮ時間をTon_b、とＯｆｆ時間をToff_bとすると、蓄電装置１の端子間電圧は、ＯＮ時は０［Ｖ］、ＯＦＦ時はＥｂ［Ｖ］を繰り返す。実際には、フィルタコンデンサ４とフィルタリアクトル６により平滑され、平均電圧であるToff_b/(Ton_b+Toff_b)×Ebが、インバータ装置２の昇圧分となる。
また、蓄電池１１への充電電流も回生電流をＩｓ［Ａ］と置くと、ＯＮ時は０［Ａ］、ＯＦＦ時はＩｓ［Ａ］となるが、コンデンサ１２により平滑化され、充電電流は、Toff_b/(Ton_b+Toff_b)×Isとなる。

続いて、力行時の回路動作について図１１を用いて説明する。力行時においては、スイッチング素子１３ａのＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。スイッチング素子１３ａをＯＮした場合、図１１の実線の経路で示すように、インバータ装置２の低電位側の端子を出た電流Ｉｓは、蓄電池１１の低電位側の端子から高電位側の端子を通過し（蓄電池１１にとっては放電）、その後スイッチング素子１３ａを経由して、接地点９に流れる。つまり、力行時においても、インバータ装置２の低電位側の端子は、接地点９に対して蓄電池１１の端子間電圧Ｅｂだけ引き下げられる。以上から、力行時においてもインバータ装置２の端子間電圧をＥｂ＋Ｅｓまで引き上げることが可能となる。

インバータ装置２の端子間電圧を上げることにより、力行時に誘導電動機３で必要な電力を確保するために架線電流Isを減らすことが可能となる。
回生時と同様に、スイッチング素子１３ａを周期的にＯＮ／ＯＦＦ制御させることにより、蓄電装置１の出力電圧を０［Ｖ］〜Ｅｓ［Ｖ］まで連続的に変化させることができる。スイッチング素子１３ａのＯＮ時間をTon_aとＯｆｆ時間をToff_aとすると、蓄電装置１の電圧は、Ton_a/(Ton_a+Toff_a)×Ebとなる。
また、蓄電池１１の放電電流は、Ton_a/(Ton_a+Toff_a)×Isとなる。
以上のように、蓄電装置１の出力電圧を制御することで、インバータ装置２の昇圧電圧を調整することが可能となる。

実際には、蓄電池１１の充電容量は有限であることから、蓄電池１１の充電量の上限及び下限が存在する。
そこで、回生中に蓄電池１１の充電量が上限に達した時には、回生中はスイッチング素子１３ｂを常時ＯＮにすることにより、回生電流が接地９から端子１０ａ、スイッチング素子１３ｂを経由して、端子１０ｂから出ていくため、蓄電池１１への充電を回避できる。
また、力行中に蓄電池１１の充電量が下限に達した時には、力行中はスイッチング素子１３ａを常時ＯＦＦすることにより、力行電流が端子１０ｂ、ダイオード１４ｂを経由して、端子１０ａ、接地９に出ていくため、蓄電池１１の放電を回避できる。以上のように、蓄電池１１の充電量に応じて、蓄電池１１の充放電を制御することが可能となる。

続いて、架線への電力供給がない場合の動作を示す。
架線への電力供給がない場合、遮断機５１をＯＦＦ、遮断機５２をＯＮとすることで、蓄電装置１の高電位側の端子１０ａがフィルタリアクトル６を経由して、インバータ装置２の高電位側に接続される。これにより、蓄電装置１からインバータ装置２を駆動することができる。
力行時の回路動作を、図１２を用いて説明する。力行時はスイッチング素子１３ａを常時ＯＮ、スイッチング素子１３ｂを常時ＯＦＦすることにより、図１２の実線に示すように、蓄電池１１からの放電電流（直流）が、スイッチング素子１３ａ、遮断機５２、フィルタコンデンサ６を介して、インバータ装置２に供給される。インバータ装置２は蓄電池１１から供給された直流電流を、交流電流に変換し、誘導電動機３を駆動する。

また、回生時においては、誘導電動機３を発電機として動作させ、誘導電動機３により発生した交流電流をインバータ２により直流電流に変換する。変換された直流電流は、図１３に示すように、フィルタリアクトル６、遮断機５２を経由して、蓄電装置１に流れる。蓄電装置１のスイッチング素子１３ａ、１３ｂはともに常時ＯＦＦとすることで、蓄電装置１の高電位端子１０ａから入力された回生電流はダイオード１４ａを経由して、充電池１１に充電される。

以上のように、遮断機５１、５２を切り換えることにより、架線から電力供給がある場合においては、高速域の回生拡大により省エネを実現するとともに、架線からの電力供給がない場合には、蓄電装置１に蓄えられた電力を使用して、走行することができる。
さらに、力行時、スイッチング素子１３ａをＯＦＦすると、図１２の点線の経路に示すように、蓄電装置１を流れる力行電流は、端子１０ｂからダイオード１４ｂを通り、端子１０ａに抜ける蓄電池１１を迂回するルートを通る。また、回生時は、スイッチング素子１３ｂをＯＮすることにより、図１３の点線の経路に示すように、蓄電装置１を流れる回生電流は、端子１０ａからスイッチング素子１３ｂを通り、端子１０ｂに抜け、蓄電池１１を迂回するルートを通る。

また、この迂回ルートは蓄電装置１内での短絡となるが、インバータ装置２の間に存在するフィルタリアクトル６により、電流の変化が抑えられる。
つまり、力行時にスイッチング素子１３ａをＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、力行に伴う蓄電池１１の放電電流、また、回生時はスイッチング素子１３ｂをＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことで蓄電池１１の充電電流をそれぞれ制限することが可能となる。
これを利用して、遮断機５２をＯＮして、蓄電装置１とインバータ装置２を接続する際に、蓄電池１１の電圧とフィルタコンデンサ４の電圧の差による突入電流を抑えることが可能となるため、蓄電装置１側に突入電流防止用の抵抗器は不要となる。
以上から、蓄電装置１を蓄電池１１とチョッパ回路（スイッチング素子１３ａ、１３ｂ、ダイオード１４ａ、１４ｂ）で構成することで、架線から電力供給がある場合は、インバータ装置２の昇圧電圧の調整を、また、架線から電力供給がない場合は、蓄電装置１の充放電電流の調整が可能となる。

以上示すように、切換装置５を切り換えることで、架線から電力供給がある場合には、インバータ装置２と蓄電装置１を直列に接続して、高速域の誘導電動機３の出力を向上させるともに、架線から電力供給がない場合には、インバータ装置２と蓄電装置１を並列に接続することで、蓄電装置１からの電力供給を受けてインバータ装置２を駆動させることができる。
また、蓄電装置１を蓄電池１１とチョッパで構成することで、架線から電力供給がある場合には、インバータ装置２の印加電圧の昇圧分を調整するとともに、架線から電力供給がない場合には、蓄電池１への充放電電流を調整することが可能となる。

以上説明したように本発明によれば、回生ブレーキ時に、電力蓄電装置によりインバータ装置の駆動電圧を上昇させることで、回生ブレーキ力を増大させることにより、回生ブレーキの利点を最大限活かすことができるとともに、架線電圧が途絶えた場合でも、この電力蓄電装置からインバータ装置に電力を供給可能とすることで、鉄道車両の運行を維持することができるので、信頼性の高い鉄道車両用駆動装置として広く採用されることが期待できる。

１…蓄電装置、２…インバータ装置、３…主電動機、４…フィルタコンデンサ、５…切換装置、６…フィルタリアクトル、７…突入電流防止装置、８…集電装置、９…接地点、１１…蓄電池、１３…スイッチング素子、１４…ダイオード、１５…電源制御装置、５１、５２、５３、５４…遮断機、１００…鉄道車両

Claims (3)

1. 集電装置により架線から供給された高電位の直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、該インバータ装置により駆動される少なくとも１つ以上の交流電動機と、回生ブレーキ時に前記インバータ装置の駆動電圧を上昇させる電力蓄電装置を備えた鉄道車両の駆動装置において、
   前記インバータ装置の低電位側と前記電力蓄電装置の低電位側を接続するとともに、前記インバータ装置の高電位側と前記集電装置の間に第１の遮断機、前記インバータ装置の高電位側と前記電力蓄電装置の高電位側との間に第２の遮断機をそれぞれ配置し、前記架線からの電力供給がある場合には、前記第１の遮断機をＯＮ、前記第２の遮断器をＯＦＦにして前記インバータ装置が前記架線から電力供給を受けるようにするとともに、前記架線からの電力供給がない場合には、前記第１の遮断機をＯＦＦ、前記第２の遮断器をＯＮにして、前記インバータ装置が前記電力蓄電装置から電力供給を受けるようにする電源制御装置を設けたことを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
2. 請求項１の鉄道車両の駆動装置において、前記第１及び第２の遮断機は、前記インバータ装置が駆動していない状態で、切り換えることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
3. 請求項１の鉄道車両の駆動装置において、前記電力蓄電装置を、蓄電池と蓄電池の出力電圧を調整する変換器とで構成することにより、前記電源制御装置が前記インバータ装置と前記電力蓄電装置を直列に接続した場合は、前記電力蓄電装置の出力電圧を前記変換器に調整するとともに、前記インバータ装置と前記電力装置を並列に接続した場合には、前記蓄電池に充放電される電流を調整することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。

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