JP2013225963A - 電気鉄道車両の駆動システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】車両は、外部から電力を得る第一の給電手段(3a)と、車両用制御電源、及び表示灯、非常灯等の電源として配備された蓄電手段を備えた複数の第二の給電手段(17a、17b)を備えている。第一の給電手段(3a)から電力供給が得られないとき、蓄電手段接触器(18a、18b)を切り換えることで、複数の第二の給電手段(17a、17b)の一部から、インバータ駆動装置(6a)に電力を供給し、交流電動機(15a)を駆動することにより、非常時あるいは保守点検時、車両の自立走行を行う。
【選択図】図2
Description
架線方式は、車両屋根上の空間に架設された電線から、パンタグラフ等により給電する方式であり、設備上の自由度が高いことから、民鉄線などの都市間鉄道から新幹線まで広く採用されている。
一方、第三軌条方式は、車両が走行する空間が限られ、架線方式の電線を設備することが難しい地下鉄などで主に採用されている。走行用の2本のレールと並行に、電力供給用の第3のレールを併設し、車両の台車上に設備した集電靴が、第3のレール上に接触しながら走行して電力を供給する。
いずれの方式でも、変電所、送電線、架線にトラブルが発生すると、車両の走行が不能になり、車両が駅間に停車した場合、乗客は長時間閉じこめられることになる。このため、架線から電力供給が停止した場合でも、最寄り駅までの自立走行を可能とすることが強く求められる。
また、床下作業用区域から、第三軌条が敷設されている区域に移動する場合は、まず、床下作業用区域で、作業者が車両の集電靴に電力供給線をジャンパ線にて接続し、この電力によりある速度まで力行する。力行オフ後、惰性にて走行中している最中に、同じく作業者が集電靴からジャンパ線を引き抜き、車両はそのまま第三軌条が敷設されている区域まで移動する。
このように、第三軌条方式の鉄道では、車庫線内の第三軌条を敷設できない区域で車両を運用するとき、現状では危険な作業を伴うため、やはり、第三軌条の終端と床下作業用区域の間を、自立走行可能とすることが求められている。
蓄電手段115を充電するときは、断流器108dを開放したまま断流器108cを投入して、抵抗器114bを経由して充電電流が流れるようにする。集電装置103aから得られる電力の電圧(対地電位)が、蓄電手段115の端子電圧(対地電位)よりも高位であれば、集電装置103aから蓄電手段115に充電電流が流れる。一般に蓄電手段115の充電電流はその制限値(最大充電電流)が仕様として定められており、最大充電電流値を超えた充電はできない。このため、抵抗器114bを経由することで充電電流を制限する。すなわち、抵抗器114bは、集電装置103aから得られる電力の電圧と、蓄電手段115の端子電圧の電圧差で、最大充電電流値以下で充電電流が通流するようにその抵抗値を設計する。
(1)走行用蓄電装置の追加
架線など外部から電力を得られない状況で走行を実現するため、走行用蓄電装置を専用に設けている。4両編成車両(200t)を10km/hで駆動するには数十kWの電力が必要であり、例えばハイブリッド自動車用リチウムイオン電池を想定すると、蓄電装置は少なくとも0.1[m3]と試算できる。適用する電池の種類・仕様にもよるが、従来の駆動システムに対する新たな機器増設となり、床下機器スペース確保等の課題が発生することが予想される。
(2)充電用機器の追加
架線など外部電力の電圧はDC1500V、DC600V等の種類がある。これらを電源として走行用蓄電池を充電するため、電池の端子間出力電圧は電源電圧より低く設定している。
電池の充電時は、充電電流を超えないように、充電時には電源から電池までの経路に充電電流を調整する限流抵抗を設ける。一方、車両の走行時(放電時)は、インバータ装置に供給する電源電圧を一定に保つため、限流抵抗を介さない経路で蓄電装置からインバータ装置に電力供給する。すなわち、この充電時と放電時で異なる電力経路を構成するための接触器を設けている。この限流抵抗と接触器で構成する充電用機器は、蓄電装置と同様に従来の駆動システムに対する新たな機器増設となり、床下機器スペース確保等の課題が発生することが予想される。また、接触器の電圧仕様を外部電力の電圧仕様に合わせる必要があるため、機器小型化も難しい。
これらの二つに区分された蓄電手段は、前記接触器の切り換えにより、補助電源装置の電力により個別に充電できる構成として、両者の蓄電量を等しくする充電操作を可能とする。
車両1a、1b、1c、1dは、列車編成を構成する車両、またはその一部を示している。
車両1aと車両1bは車間連結器2aにより、車両1bと車両1cは車間連結器2bにより、そして、車両1cと車両1dは車間連結器2cによりそれぞれ連結されている。
車両用制御電源は一般にDC110V(定格)の電圧仕様であることから、補助電源装置9aからの供給電圧、蓄電装置8aの出力電圧は、変動分を考えてDC110V±30%、あるいはそれ以下としてもよい。ダイオード手段20aは補助電源装置9aの正側出力の電流方向を既定する。ダイオード手段20bは補助電源装置9aまたは蓄電装置8aから、補機22aまたは車両間電力渡り手段23aを介して車両に供給される電力の電流方向を既定する。接地手段21bは、補助電源装置9a、蓄電装置8aの負側出力端子を接地する。
補機22bには、車両間電力渡り手段23a、23bを介して、隣接する車両より電力が供給される。ここで、補機22bとしては、前述の補機22aと同様、車両用制御電源、表示灯、非常灯等を想定している。
インバータ駆動装置6bは、図示していない電力線から、集電装置3bにより電力が供給される。この電力は、電力変換装置6bにより、可変電圧可変周波数(VVVF)の交流電力に変換され、図示していない電動機に供給して、輪軸5i、5j、5k、5lを駆動する。
補機22cには、電力供給手段24c、車両間電力渡り手段23b、23cを介して、隣接する車両より電力が供給される。ここで、補機22cは、前述の補機22a、22cと同様、車両用制御電源、表示灯、非常灯等を想定している。
なお、本実施形態では、インバータ回路14が駆動する主電動機が2台(電動機15a、15b)の場合を示しているが、これは本発明としてインバータ回路14を駆動する主電動機の台数を既定するものではない。
運転台の「バッテリ入り」スイッチをオンにすることで、蓄電手段接触器18a、18bが投入され、蓄電手段17aと、蓄電手段17bは、電力供給手段24a、24b、24c、24dと、車両間電力渡り手段23a、23b、23cを介して出力端子が接続される。これにより、蓄電手段17a、17bから補機22a、22b、22c、22dに電力が供給される。
インバータ駆動装置6aの高速度遮断器10の直前まで電力線から電力が供給され、電圧検出装置51aが検出する電圧値V_sは、電力線と等しい電圧であるV_s_0を示す。一方、集電装置3aが電力線と接すると、補助電源装置9a、9bにも電力が供給される。これにより、補助電源装置は動作を開始(ゲートスタート)する。
「リセット」スイッチは本来、インバータ駆動装置6aが故障等を検知して保護動作モードに遷移したとき、安全確認後に保護動作モードから抜けるためのスイッチであり、通常、インバータ駆動制御装置の電源を投入した直後は安全の観点から一旦、保護動作モードに遷移させ、安全確認後に「リセット」スイッチをオンにして、正常モードに復帰させる。正常モード復帰により、高速度遮断器10が投入される。
前述のように、運転台の「バッテリ入り」スイッチをオンにすることで、蓄電手段接触器18a、18bが投入される。蓄電手段接触器18a、18bの投入により、蓄電手段17aと、蓄電手段17bは、電力供給手段24a、24b、24c、24dと、車両間電力渡り手段23a、23b、23cを介して出力端子が接続される。これにより、蓄電手段17a、17bから補機22a、22b、22c、22dに電力が供給される。
また、バッテリ走行モードでは、電力線からの電力を受けないため、補助電源装置9a、9bからは、補機22a、22b、22c、22d、蓄電手段17a、17bに電力を供給できず、補機22a、22b、22c、22dについては、他の蓄電手段17bから電力供給を受けることになる。
(a)は電力線から供給される電力を集電装置3a、3bより取り入れ、これを動力源として車両を駆動する場合(通常走行モード)の車両及び各機器の動作を示す図、(b)は蓄電装置8の蓄電エネルギを動力源として車両を駆動する場合(バッテリ走行モード)の車両及び各機器の動作を示す図である。
時刻t0では、電力線と集電装置3a、3bは接しておらず、車両及び各機器に電力供給されていない。ただし、蓄電手段17aの電力は蓄電手段接続装置には供給されており、電圧検出手段51cが検出する電圧値V_btrは、蓄電手段7aの出力電圧であるV_btr_0を示している。
時刻t1では、「バッテリ入り」スイッチをオンにすることで、Battery ON信号がオンする。Battery ON信号オンにより、蓄電手段接触器18a、18bが投入され、その状態を示すBATK1信号、BATK2信号がオンする。蓄電手段接触器18a、18bの投入により、蓄電手段17aと、蓄電手段17bは、電力供給手段24a、24b、24c、24dと、車両間電力渡り手段23a、23b、23cを介して出力端子が接続される。これにより、蓄電手段17a、17bから補機22a、22b、22c、22dに電力(Control Power)が供給される。
インバータ駆動装置6aの高速度遮断器10の直前まで電力線から電力が供給され、電圧検出装置51aが検出する電圧値V_sは、電力線と等しい電圧であるV_s_0を示す。
一方、集電装置3aが電力線と接すると、補助電源装置9a、9bにも電力が供給される。これにより、補助電源装置は動作を開始(ゲートスタート)し、その状態を示すAPS gate start信号がオンする。
時刻t0では、電力線と集電装置3a、3bは接しておらず、車両及び各機器に電力供給されていない。ただし、蓄電手段17aの電力は蓄電手段接続装置には供給されており、電圧検出手段51cが検出する電圧値V_btrは、蓄電手段7aの出力電圧であるV_btr_0を示している。
時刻t1では、「バッテリ入り」スイッチをオンにすることで、Battery ON信号がオンする。Battery ON信号オンにより、蓄電手段接触器18a、18bが投入され、その状態を示すBATK1信号、BATK2信号がオンする。蓄電手段接触器18a、18bの投入により、蓄電手段17aと、蓄電手段17bは、電力供給手段24a、24b、24c、24dと、車両間電力渡り手段23a、23b、23cを介して出力端子が接続される。これにより、蓄電手段17a、17bから補機22a、22b、22c、22dに電力(Control Power)が供給される。
ここで、補機22aは制御装置等の電源を想定している。車両の制御電源の一般にDC110V(定格)を用いることから、補助電源装置9aの供給電圧、蓄電装置8aの出力電圧は、変動分を考えてDC110V±30%、あるいはそれ以下であるとしてもよい。
バッテリ走行モードは、蓄電装置8aの蓄電手段17aを、蓄電手段接続装置7を介して、インバータ駆動装置6aに接続し、蓄電手段17aからインバータ回路14に電力を供給することで、車両を加速させる。一方、編成内の他の蓄電手段17bは、補機22a、22b、22c、22dに電力を供給する。すなわち、バッテリ走行するために必要な電力(自立走行用電力)は蓄電手段17aで供給し、補機すなわち制御装置の電源として必要な電力(制御電源用電力)は蓄電手段17bで供給することにより、所定距離をバッテリ走行する蓄電エネルギと、制御装置を動作させる蓄電エネルギをそれぞれ確実に確保し、安定かつ確実なバッテリ走行を実現する。なお、バッテリ走行モードでは、蓄電手段17aより電力が供給されるインバータ駆動装置6aを動作させ、電動機15a、15bの駆動トルクで車両を加速させる。電力が供給されないインバータ駆動装置6bは動作させず、電動機15c、15dは駆動トルクを発生しない。また、バッテリ走行モードでは、電力線からの電力を受けないため、補助電源装置9a、9bからは、補機22a、22b、22c、22d、蓄電手段17a、17bに電力を供給できない。
時刻t6では、運転台で力行ノッチの投入は解除され、Powering信号はオフする。Powering信号のオフにより、インバータ主回路14は動作を停止(ゲートストップ)し、その状態を示すINV gate start信号がオフする。インバータ主回路14の停止により、車両の加速が終了する。
Claims (4)
- 車両の外部から電力を得る第一の給電手段と、車両に配備され、車両用制御電源及び表示灯や非常灯を含む補機に電力を供給する電源として、蓄電手段を備えた複数の第二の給電手段と、前記第一の給電手段より得られる直流電力をより低電圧の直流電力に変換し、前記複数の第二の給電手段のそれぞれを充電する複数の第一の電力変換手段と、第一の給電手段より得られる直流電力を交流電力に変換する第二の電力変換手段と、該交流電力により駆動され、車両をけん引する力を発生する交流電動機と、前記複数の第二の給電手段に充電された直流電力より電力供給され、第一,および第二の電力変換手段の動作を制御する制御手段を備え、
第一の給電手段より得られる直流電力を第二の電力変換装置に供給して交流電動機を駆動し、かつ複数の第二の給電手段に充電された直流電力を前記制御手段に供給する第一の機器動作モードと、複数の第二の給電手段のうち、特定の第二の給電手段に充電された直流電力を前記車両用制御電源、及び表示灯や非常灯を含む電源として供給し、残りの第二の給電手段に充電された直流電力を、第二の電力変換装置に供給して、前記交流電動機を駆動する第二の機器動作モードを備え、これらの二つの機器動作モードを選択して構成する電力供給選択手段を備えることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。 - 請求項1の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記第二の給電手段に充電され、前記制御手段または前記第一の電力変換装置に供給される直流電力は、150V以下の電圧であることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。 - 請求項1の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記第二の給電手段は、鉄道車両の制御電源を供給する鉛蓄電池であり、第二の給電手段に充電され、前記制御手段または前記第一の電力変換装置に供給される直流電力は、150V以下の電圧であることを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。 - 請求項1または2の電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記第一の電力供給手段より得られる直流手段の電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段の電圧検出値が零近傍であることより、前記第一の電力供給手段は、前記第一の給電手段から電力の供給を受けていないことを判断し、前記電力選択供給手段の作用による第一の機器動作モード、または第二の機器動作モードへの切り換えを許可することを特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。
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