JP2015208076A - Electric vehicle electric power source system and electric power supply control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気車用電源システム等に関する。 The present invention relates to an electric vehicle power supply system and the like.
直流電車にバッテリを搭載し、架線からの供給電力(直流電力)とバッテリの放電電力(直流電力)との一方、或いは、両方によって主電動機を駆動する架線・バッテリハイブリッド電車が知られている。このハイブリッド電車には、回生エネルギーによってバッテリを充電したり、非電化区間ではバッテリの放電電力によって走行可能になるといった特長がある(例えば、特許文献1参照)。 An overhead wire / battery hybrid train is known in which a battery is mounted on a DC train and a main motor is driven by one or both of power supplied from the overhead wire (DC power) and battery discharge power (DC power). This hybrid train has a feature that the battery can be charged by regenerative energy and can be driven by the discharged power of the battery in a non-electrified section (for example, see Patent Document 1).
開発されたハイブリッド電車としても、本出願人が開発した架線・バッテリハイブリッドLRV「Hi−tram」の他、多くの電車が存在する。しかし、何れのハイブリッド電車についても直流電車であり、交流電車については開発が進んでいないのが実情である。また、機関車については、ハイブリッドのディーゼル機関車の開発が進んでいるが、電気機関車のハイブリッド化は進んでいない。勿論、交流電気車の他、交直流電気車についても同様である。 As the developed hybrid train, there are many trains in addition to the overhead wire / battery hybrid LRV “Hi-tram” developed by the present applicant. However, all hybrid trains are DC trains, and the actual situation is that AC trains are not being developed. As for locomotives, hybrid diesel locomotives have been developed, but electric locomotives have not been hybridized. Of course, the same applies to AC electric vehicles as well as AC electric vehicles.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、交流区間を走行可能な電気車の架線・ハイブリッド化を可能とすることである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to enable an overhead wire / hybridization of an electric vehicle capable of traveling in an AC section.
上記課題を解決するための第1の形態は、
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り替え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1)であって、
第1接触器(例えば、図1の接触器Ktp,Ktn)を介して主変圧器の二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、
前記主変圧器の三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、
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ているとともに、第2接触器(例えば、図1の接触器Klp,Kln)及びリアクトル(例えば、図1のリアクトルLp,Ln)を介して前記第1コンバータ部の入力端に接続され、
前記制御装置は、
前記第1接触器を投入するとともに前記第2接触器を開放し、前記第1コンバータ部を整流動作させることで、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接触器を開放するとともに前記第2接触器を投入して前記リアクトルを前記第1コンバータ部に接続させ、前記第1コンバータ部をチョッパ動作させることで、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。
The first form for solving the above problem is
An electric vehicle power supply system (for example, the
A first converter unit (for example, the main
A second converter unit (for example, auxiliary
A control device (for example, the
With
The battery is connected to the DC link portion of the auxiliary device conversion circuit, and has a second contactor (for example, the contactors Klp and Kln in FIG. 1) and a reactor (for example, the reactors Lp and Ln in FIG. 1). Is connected to the input end of the first converter section via
The controller is
An overhead wire mode switching means for switching to the overhead wire mode by turning on the first contactor and opening the second contactor and rectifying the first converter unit;
Battery mode switching for switching to the battery mode by opening the first contactor and inserting the second contactor to connect the reactor to the first converter unit and operating the first converter unit as a chopper. Means,
Having
This is a power system for electric vehicles.
また、他の形態として、
第1接触器を介して主変圧器の二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、前記主変圧器の三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、前記補機用変換回路の直流リンク部に接続されているとともに、第2接触器及びリアクトルを介して前記第1コンバータ部の入力端に接続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を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、前記第1接触器を投入するとともに前記第2接触器を開放し、前記第1コンバータ部を整流動作させることで、前記架線モードに切り替えるステップと、前記第1接触器を開放するとともに前記第2接触器を投入して前記リアクトルを前記第1コンバータ部に接続させ、前記第1コンバータ部をチョッパ動作させることで、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。
As another form,
A main converter circuit having a first converter unit and a first inverter unit connected to the secondary winding of the main transformer via a first contactor, and supplying power for driving the main motor, and the main transformer Having a second converter unit and a second inverter unit connected to the tertiary winding of the auxiliary unit, and connected to the auxiliary converter circuit for supplying power to the auxiliary machine and the DC link unit of the auxiliary machine converter circuit In addition, in an electric vehicle power supply system including a battery connected to an input end of the first converter unit via a second contactor and a reactor, an overhead line mode that travels based on AC power from the overhead line; A power supply control method for controlling power supply by switching a battery mode that travels based on the output power of the battery, wherein the first contactor is turned on, the second contactor is opened, and the first contactor is opened. 1 converter section The step of switching to the overhead wire mode by performing a rectifying operation, opening the first contactor and inserting the second contactor to connect the reactor to the first converter unit, A power supply control method including a step of switching to the battery mode by performing a chopper operation may be configured.
この第1の形態等によれば、主電動機に電力を供給する主変換回路と、補機に電力を供給する補機用変換回路と、補機用変換回路の直流リンク部に接続されるとともに、第2接触器及びリアクトルを介して第1コンバータの入力端に接続されたバッテリとを備え、架線からの供給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が実現される。 According to the first aspect and the like, the main converter circuit for supplying power to the main motor, the auxiliary converter circuit for supplying power to the auxiliary machine, and the DC link portion of the auxiliary converter circuit are connected. And a battery connected to the input end of the first converter via the second contactor and the reactor, and traveling based on the power supplied from the overhead line and the output power of the battery An electric vehicle power supply system capable of switching between battery modes is realized.
すなわち、架線モードでは、第1接触器が投入され、第2接触器が開放されることで、主変圧器の二次巻線が第1コンバータ部に接続される。これにより、架線からの交流電力が、主変換回路を介して主電動機に供給されるとともに、補機用変換回路を介して補機に供給される。また、バッテリモードでは、第1接触器が開放され、第2接触器が投入されることで、バッテリが第1コンバータ部の入力端に接続される。これにより、バッテリからの直流電力が、主変換回路を介して主電動機に供給されるとともに、第2インバータ部を介して補機に供給される。 That is, in the overhead line mode, the first contactor is turned on and the second contactor is opened, whereby the secondary winding of the main transformer is connected to the first converter unit. Thus, AC power from the overhead wire is supplied to the main motor through the main conversion circuit and is also supplied to the auxiliary machine through the auxiliary conversion circuit. In the battery mode, the battery is connected to the input end of the first converter unit by opening the first contactor and turning on the second contactor. As a result, DC power from the battery is supplied to the main motor via the main conversion circuit, and is also supplied to the auxiliary machine via the second inverter unit.
また、第2の形態として、第1の形態の電気車用電源システムであって、
前記バッテリは、遮断器(例えば、図1の高速度遮断器BHB)を介して前記直流リンク部に接続されており、
前記架線モード切替手段は、
前記遮断器の開閉状態に関わらず、前記第2コンバータ部に前記バッテリの定格電圧相当の電圧を出力させるように動作させる、
電気車用電源システムを構成しても良い。
Further, as a second form, the electric vehicle power supply system of the first form,
The battery is connected to the DC link part via a circuit breaker (for example, the high speed circuit breaker BHB in FIG. 1),
The overhead line mode switching means includes
Regardless of the open / closed state of the circuit breaker, the second converter unit is operated to output a voltage corresponding to the rated voltage of the battery.
An electric vehicle power supply system may be configured.
この第2の形態によれば、バッテリは、遮断器を介して補機用変換回路の直流リンク部に接続されており、架線モードでは、遮断器の開閉状態に関わらず、第1コンバータ部の出力電圧がバッテリの定格電圧相当となるように動作する。これにより、架線モードにおいて、遮断器が閉状態の場合には、バッテリが直流リンク部に接続された状態となり、架線からの供給電力によるバッテリの充電が可能となるとともに、バッテリの出力電力を第2インバータ部に供給することが可能となる。 According to the second mode, the battery is connected to the DC link portion of the auxiliary converter circuit via the circuit breaker. In the overhead line mode, the battery of the first converter portion is connected regardless of the open / closed state of the circuit breaker. Operates so that the output voltage is equivalent to the rated voltage of the battery. Thus, in the overhead line mode, when the circuit breaker is in the closed state, the battery is connected to the DC link unit, the battery can be charged with the power supplied from the overhead line, and the output power of the battery is reduced. It becomes possible to supply to 2 inverter parts.
また、第3の形態として、第1又は第2の形態の電気車用電源システムであって、
制御装置は、電気車の停車時に、前記第2コンバータ部に、前記補機の動作電力に加えて、前記バッテリへの充電電力を供給させる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。
Further, as a third form, the electric vehicle power supply system of the first or second form,
The control device has charging control means for causing the second converter unit to supply charging power to the battery in addition to the operating power of the auxiliary machine when the electric vehicle stops.
An electric vehicle power supply system may be configured.
この第3の形態によれば、電気車の停車時に、第2コンバータ部によって、架線からの供給電力をもとにバッテリの充電を行うことができる。 According to the third embodiment, when the electric vehicle is stopped, the second converter unit can charge the battery based on the power supplied from the overhead line.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下では、本発明を適用した電車の回路構成について説明するが、LRVや機関車にも本発明の適用は可能である。すなわち、本発明の適用可能な実施形態は以下に限定されるものではない。また、理解を容易にするために、電圧の一例を示して説明するが、本発明を適用可能な実施形態は、以下に説明する電圧に限られるものではないことは勿論である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, a circuit configuration of a train to which the present invention is applied will be described, but the present invention can also be applied to an LRV and a locomotive. That is, the applicable embodiment of the present invention is not limited to the following. In order to facilitate understanding, an example of the voltage will be described. However, it is needless to say that embodiments to which the present invention is applicable are not limited to the voltage described below.
[構成]
図1は、本実施形態の電源システム1の回路構成図である。図1によれば、電源システム1は、交流電気車に搭載され、パンタグラフ2と、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50と、高速度遮断器BHBと、接触器Ktp,Ktn,Klp,Kln,Kp,Knと、リアクトルL,Lp,Lnと、制御部60とを備えて構成される。
[Constitution]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a
主変圧器20の一次巻線21は、真空遮断器VCBを介してパンタグラフ2と接続され、二次巻線22は、主回路側コンバータ31の入力端(一次側)に接続されている。この主変圧器20は、一次巻線21に架線電圧である「単相20000V」の単相交流電圧が印加されると、二次巻線22に「1000V」の単相交流電圧が発生し、三次巻線23に「440V」の単相交流電圧が発生するように、一次巻線21と、二次巻線22及び三次巻線23それぞれとの巻線比が構成されている。
The primary winding 21 of the
主変換回路30は、主電動機4を駆動するための電力供給系統であり、主回路側コンバータ31と、インバータ32とを有している。
The
主回路側コンバータ31の入力端(一次側)は、接触器Ktp,Ktnを介して主変圧器20の二次巻線22に接続され、出力端(二次側)は、インバータ32の入力端(一次側)に接続されている。この主回路側コンバータ31は、入力端に入力される交流電圧(単相1000V)を直流電圧(1800V)に変換する位相同期方式のPWMコンバータ(整流動作)として機能するとともに、リアクトルLp,Lnが入力端に接続されることで入力端に入力される「750V」の直流電圧を「1800V」に昇圧するPWMチョッパ(チョッパ動作)としても機能する。
The input end (primary side) of the main
詳細に説明する。図2(a)は、主回路側コンバータ31の回路構成図である。図2(a)に示すように、主回路側コンバータ31は、4つのスイッチング素子と、このスイッチングそれぞれに逆並列接続された4つのダイオードとを有するフルブリッジ型のコンバータであり、各スイッチング素子のオン/オフ期間の比率(デューティ比)を制御することで、出力電圧を制御する。
This will be described in detail. FIG. 2A is a circuit configuration diagram of the main
そして、接触器Ktp,Ktnが投入され、接触器Klp,Klnが開放されている状態では、主回路側コンバータ31の入力端には、主変圧器20の二次巻線22に発生した交流電圧(1000V)が入力される。この場合、主回路側コンバータ31は、コンバータとして機能し、交流を直流に変換するコンバータ動作(整流動作)を行う。
When the contactors Ktp and Ktn are turned on and the contactors Klp and Kln are opened, the AC voltage generated in the secondary winding 22 of the
また、接触器Ktp,Ktnが開放され、接触器Klp,Klnが投入されている状態では、主回路側コンバータ31の入力端にリアクトルLp,Lnが接続され、バッテリ50から出力される直流電力(750V)が入力されることになる。この場合、図2(b)に示すように、主回路側コンバータ31は、リアクトルLp,Lnが接続されることで昇圧チョッパとして機能し、入力端に入力される「750V」の直流電圧を「1800V」に昇圧するチョッパ動作(昇圧動作)を行う。
Further, when the contactors Ktp and Ktn are opened and the contactors Klp and Kln are turned on, the reactors Lp and Ln are connected to the input terminal of the main
図1に戻り、インバータ32の入力端(一次側)は、主回路側コンバータ31の出力端に接続され、出力端(二次側)は、主電動機4に接続されている。このインバータ32は、入力端に入力される直流電圧(1800V)を、三相交流電力に変換して、主電動機4に駆動電力を供給する。
Returning to FIG. 1, the input end (primary side) of the
主電動機4は、インバータ32から電力が供給されることで車軸を回転させるメインモータであり、例えば三相誘導電動機で構成される。なお、図1では、1台のインバータで4台の主電動機を駆動する1C4M方式を図示しているが、これは一例であり、1C1M方式等の他の方式でも良いことは勿論である。
The main motor 4 is a main motor that rotates the axle when power is supplied from the
補機用変換回路40は、空調装置や照明装置といった補助的な機器(補機)を駆動するための電力供給系統であり、補機側コンバータ41と、静止形インバータ(SIV)42とを有している。
The
補機側コンバータ41の入力端は、主変圧器20の三次巻線23に接続され、出力端は、静止形インバータ42の入力端に接続されている。この補機側コンバータ41は、入力端に入力される交流電圧(単相440V)を、バッテリ50の定格電圧相当の直流電圧(750V)に変換する位相同期方式のPWMコンバータとして機能する。
The input end of the auxiliary
静止形インバータ42の入力端(一次側)は、補機側コンバータ41の出力端に接続され、出力端は、補機に接続されている。この静止形インバータ42は、入力端に入力される直流電圧(750V)を、三相交流電力(三相440V)に変換して補機に供給する。
The input terminal (primary side) of the
バッテリ50は、例えばリチウムイオンバッテリ等のバッテリセルを複数接続したバッテリモジュールであり、定格電圧が「750V」に構成されている。このバッテリ50は、高速度遮断器BHB、リアクトルL及び接触器Kpを介して、補機用変換回路40の直流リンク部(補機側コンバータ41と静止形インバータ42との間)に接続されている。更に、補機用変換回路40の直流リンク部は、接触器Klp,Kln及びリアクトルLp,Lnを介して、主回路側コンバータ31の入力端に接続されている。なお、接触器Kp,Knは、保守用であり本実施形態では常時投入されるため、原理的には設けなくとも問題はない。
The
制御部60は、CPUや各種メモリ(ROMやRAM等)から構成されるコンピュータや各種の電子回路によって実現され、制御装置として機能する。制御部60は、後述する走行モードの制御を行う。具体的には、主回路側コンバータ31やインバータ32、補機側コンバータ41、静止形インバータ42それぞれの動作を制御するとともに、真空遮断器VCBや高速度遮断器BHB、接触器Ktp,Ktn,Klp,Klnそれぞれの投入/開放、パンタグラフ2の上昇/下降を制御する。
The
[走行モード]
電源システム1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」の二種類がある。
[Driving mode]
A travel mode in the
(A)架線モード
架線モードは、架線から供給される交流電力(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。
(A) Overhead Line Mode The overhead line mode is a mode in which the main motor 4 is driven by AC power (single-
図3は、架線モードにおける電源システム1の電力供給動作を示す図である。架線モードでは、パンタグラフ2が上昇して架線に接触し、真空遮断器VCBが投入されている。また、接触器Ktp,Ktnは投入され、接触器Klp,Klnは開放されているとともに、高速度遮断器BHBは開放されている。そして、主回路側コンバータ31及び補機側コンバータ41は、ともにコンバータ動作(整流動作)するように制御されている。
FIG. 3 is a diagram illustrating a power supply operation of the
電気の流れをみると、架線電圧である交流電圧(単相20000V)が主変圧器20の一次巻線21に印加され、二次巻線22に交流電圧(単相1000V)が発生しているとともに、三次巻線23に交流電圧(単相440V)が発生している。
Looking at the flow of electricity, an AC voltage (
二次巻線22に発生した交流電圧(単相1000V)は、主回路側コンバータ31によって直流電圧(1800V)に変換され、更にインバータ32によって三相交流電圧に変換されて主電動機4に供給される。また、三次巻線23に発生した交流電圧(単相400V)は、補機側コンバータ41によって直流電圧(750V)に変換され、更に静止形インバータ42によって三相交流電圧に変換されて補機に供給される。
The AC voltage (
(B)バッテリモード
バッテリモードは、バッテリ50の蓄積電力(直流750V)によって主電動機4を駆動して走行するモードである。
(B) Battery Mode The battery mode is a mode in which the main motor 4 is driven by the stored electric power (
図4は、バッテリモードにおける電源システム1の電力供給動作を示す図である。バッテリモードでは、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。また、接触器Ktp,Ktnは開放され、接触器Klp,Klnは投入されているとともに、高速度遮断器BHBは投入されている。そして、主回路側コンバータ31は、チョッパ動作するように制御され、補機側コンバータ41は、動作を停止している。
FIG. 4 is a diagram illustrating a power supply operation of the
電気の流れをみると、バッテリ50の放電電圧(直流750V)が、静止形インバータ42によって三相交流電圧に変換されて補機に供給されるとともに、主回路側コンバータ31のチョッパ動作によって直流電圧(1800V)に変換され、更にインバータ32によって三相交流電圧に変換されて、主電動機4に供給される。
Looking at the flow of electricity, the discharge voltage (
(C)バッテリ充電
続いて、架線の供給電力によってバッテリ50を充電する場合を説明する。この充電は、例えば所定の充電駅(充電可能な駅)での停車中に行われる。
(C) Battery Charging Next, the case where the
図5は、充電の際の電源システム1の電力供給動作を示す図である。充電の際には、インバータ32は停止している。また、パンタグラフ2が上昇して架線に接触し、真空遮断器VCBが投入されている。接触器Ktp,Ktnは開放され、接触器Klp,Klnは投入されているとともに、高速度遮断器BHBは投入されている。そして、主回路側コンバータ31は、動作を停止し、補機側コンバータ41は、コンバータ動作するように制御されている。
FIG. 5 is a diagram illustrating a power supply operation of the
電気の流れをみると、架線から供給される交流電圧(単相20000V)が、主変圧器20の一次巻線21に印加され、二次巻線22に交流電圧(単相1000V)が発生し、三次巻線23に交流電圧(単相440V)が発生する。
Looking at the flow of electricity, an AC voltage (
三次巻線23に発生した交流電圧(単相440V)は、補機側コンバータ41によって、バッテリ50の定格電圧に相当する直流電圧(750V)に昇圧され、バッテリ50が充電される。このとき、補機側コンバータ41の出力電流(すなわち、バッテリ50の充電電流)は、変調率制御によって、所与の充電電流指示に応じて制御される。また、補機側コンバータ41から出力される直流電力は、静止形インバータ42にも供給され、三相交流電力に変換されて補機に供給される。すなわち、補機側コンバータ41は、補機の動作電力に加えて、バッテリ50への充電電力を供給する。
The AC voltage (single phase 440V) generated in the tertiary winding 23 is boosted to a DC voltage (750V) corresponding to the rated voltage of the
[走行モードの切り替え]
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。
[Switch driving mode]
Next, a control procedure when switching between these travel modes will be described. This control is performed by the
(A)架線モードでの起動
図6は、架線モードで起動する際の制御手順である。但し、停車中であるため、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。また、高速度遮断器BHBは開放されている。そして、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、及び、静止形インバータ42は、ともに動作を停止している。
(A) Activation in overhead line mode FIG. 6 shows a control procedure when activation is performed in the overhead line mode. However, since the vehicle is stopped, the
先ず、接触器Klp,Klnを開放した後(ステップA1)、接触器Ktp,Ktnを投入する(ステップA3)。次いで、パンタグラフ2を上昇させた後(ステップA5)、真空遮断器VCBを投入する(ステップA7)。そして、補機側コンバータ41を、変調率制御によって、出力電圧が「750V」となるように、コンバータ動作させる(ステップA9)。また、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「1800V」となるように、コンバータ動作(整流動作)させる(ステップA11)。その後、インバータ32を起動する(ステップA13)。架線モードでの起動は、このように行われる。
First, after opening the contactors Klp and Kln (Step A1), the contactors Ktp and Ktn are turned on (Step A3). Next, after raising the pantograph 2 (step A5), the vacuum circuit breaker VCB is turned on (step A7). Then, the auxiliary
(B)架線モードからバッテリモードへの切り替え
図7は、架線モードからバッテリモードへ切り替え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B1)。次いで、高速度遮断器BHBを投入する(ステップB3)。続いて、主回路側コンバータ31を停止させ(ステップB5)、補機側コンバータ41を停止させる(ステップB7)。そして、真空遮断器VCBを開放した後(ステップB9)、パンタグラフ2を下降させる(ステップB11)。次いで、接触器Ktp,Ktnを開放した後(ステップB13)、接触器Klp,Klnを投入する(ステップB15)。続いて、主回路側コンバータ31を、通流率制御によって出力電圧が「1800V」となるように、チョッパ動作をさせる(ステップB17)。その後、インバータ32を起動(再起動)する(ステップB19)。架線モードからバッテリモードへの切り替えは、このように行われる。
(B) Switching from Overhead Line Mode to Battery Mode FIG. 7 is a control procedure when switching from the overhead line mode to the battery mode. First, the
(C)バッテリモードから架線モードへの切り替え
図8は、バッテリモードから架線モードへ切り替え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C1)。次いで、主回路側コンバータ31を停止させる(ステップC3)。続いて、接触器Klp,Klnを開放した後(ステップC5)、接触器Ktp,Ktnを投入する(ステップC7)。また、パンタグラフ2を上昇させ(ステップC9)、真空遮断器VCBを投入する(ステップC11)。
(C) Switching from Battery Mode to Overhead Line Mode FIG. 8 is a control procedure when switching from the battery mode to the overhead line mode. First, the
そして、補機側コンバータを、変調率制御によって出力電圧が「750V」となるように、コンバータ動作をさせる(ステップC13)。また、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「1800V」となるように、コンバータ動作をさせる(ステップC15)。そして、高速度遮断器BHBを開放した後(ステップC17)、インバータ32を起動(再起動)する(ステップC19)。バッテリモードから架線モードへの切り替えは、このように行われる。
Then, the auxiliary side converter is caused to perform the converter operation so that the output voltage becomes “750 V” by the modulation rate control (step C13). Further, the converter operation is performed on the main
(D)バッテリモードでの起動
図9は、バッテリモードで起動する際の制御手順である。但し、停車中であるため、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。また、高速度遮断器BHBは開放されている。そして、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及び静止形インバータ42は、ともに動作を停止している。
(D) Startup in Battery Mode FIG. 9 is a control procedure when starting in the battery mode. However, since the vehicle is stopped, the
先ず、接触器Ktp,Ktnを開放した後(ステップD1)、接触器Klp,Klnを投入する(ステップD3)。次いで、高速度遮断器BHBを投入する(ステップD5)。そして、静止形インバータ42を起動し(ステップD7)、インバータ32を起動する(ステップD9)。バッテリモードでの起動は、このように行われる。
First, after opening the contactors Ktp and Ktn (step D1), the contactors Klp and Kln are inserted (step D3). Next, the high-speed circuit breaker BHB is turned on (step D5). Then, the
(E)バッテリ充電
図10は、バッテリ50を充電する際の制御手順である。但し、直前の走行モードがバッテリモードであるとする。すなわち、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。また、接触器Ktp,Ktnは開放され、接触器Klp,Klnは投入されているとともに、高速度遮断器BHBは投入されている。そして、主回路側コンバータ31は、チョッパ動作するように制御され、補機側コンバータ41は、動作を停止している。
(E) Battery Charging FIG. 10 is a control procedure when charging the
先ず、インバータ32を停止する(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)、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、出力電圧が「750V」となるようにコンバータ動作させる(ステップE7)。そして、補機側コンバータ41を、所与の充電電流指令に応じた出力電流(充電電流)となるように制御して、バッテリ50の充電を行う(ステップE9)、
First, the
バッテリ50の充電が完了すると(ステップE11)、補機側コンバータ41を停止させる(ステップE13)。そして、真空遮断器VCBを開放した後(ステップE15)、パンタグラフ2を下降する(ステップE17)。その後、インバータ32を起動(再起動)する(ステップE19)。バッテリ50の充電は、このように行われる。
When the charging of the
[作用効果]
このように、本実施形態の電源システム1は、主電動機4に駆動電力を供給する主変換回路30と、補機に電力を供給する補機用変換回路40とを備える。また、補機用変換回路40の直流リンク部に高速度遮断器BHBを介してバッテリ50が接続されるとともに、補機用変換回路40の直流リンク部が、接触器Klp,Kln及びリアクトルLp,Lnを介して主回路側コンバータ31の入力端に接続されている。
[Function and effect]
As described above, the
これにより、架線からの供給電力(交流電力)によって主電動機4を駆動して走行する架線モードと、バッテリ50の蓄積電力(直流電力)によって主電動機4を駆動して走行するバッテリモードとの切り替えが可能となり、交流区間を走行する電気車の架線・バッテリハイブリッド化が実現される。
Accordingly, switching between the overhead line mode in which the main motor 4 is driven by the power supplied from the overhead line (AC power) and the battery mode in which the main motor 4 is driven by the stored power (DC power) stored in the
これにより、架線モードとバッテリモードとの切り替えが可能となるため、例えば架線の停電時に、バッテリモードに切り替えることで最寄り駅まで走行するといったことが可能となる。 Thereby, since it is possible to switch between the overhead line mode and the battery mode, it is possible to travel to the nearest station by switching to the battery mode, for example, when a power failure occurs in the overhead line.
また、交流区間では架線電圧が「20000V〜25000V程度」と高いが、バッテリの急速充電時にパンタ点に流れる電流が数十アンペアと小さくて済む。架線電圧が「1500V程度」となる直流区間でバッテリの急速充電を行おうとすると、大電流に対応した特殊な架線を用いる必要があるが、交流区間では通常(従来)のトロリー線で問題ない。例えば、100kWのバッテリ充電を行う場合には、50A(=100000W/20000V)のパンタ点電流となる。 In the AC section, the overhead line voltage is as high as “about 20000 V to 25000 V”, but the current flowing through the punter point when the battery is rapidly charged can be as small as several tens of amperes. If the battery is to be rapidly charged in the DC section where the overhead line voltage is "about 1500 V", it is necessary to use a special overhead line corresponding to a large current, but there is no problem with a normal (conventional) trolley line in the AC section. For example, in the case of charging a battery of 100 kW, the punter point current is 50 A (= 100000 W / 20000 V).
また、交流電気車ではあるが、バッテリモードに切り替えることで、直流区間でも走行できる。直流区間をバッテリモードで走行する際には、真空遮断器VCBを開放することで、万が一パンタグラフ2が上昇して架線に接触しても架線電圧が主変圧器20に印加されることがないため、直流偏磁が発生しない。なお、交流電気車は高電圧用に設計されているため、直流区間(1500V程度)においてパンタグラフ2が上昇して架線に接触したとしても、電圧的に問題が生じることはない。
Moreover, although it is an alternating current electric vehicle, it can drive also in a direct current section by switching to battery mode. When traveling in the direct current section in the battery mode, by opening the vacuum circuit breaker VCB, even if the
[変形例]
(A)中間回路電圧
なお、上述の実施形態において、主変換回路30の直流リンク部(主回路側コンバータ31とインバータ32との間)の電圧(中間回路電圧)を「1800V」としたが、主回路側コンバータ31の出力可能な電圧範囲内の電圧であれば他の電圧でも良い。例えば、主回路側コンバータ31を単相全波整流回路とみなした場合の純抵抗負荷動作では、入力電圧の0.9(=2√2/π)倍の電圧が出力されるため、主変換回路30の直流リンク部の電圧は、主変圧器20の二次巻線22に発生する「1000V」の0.9倍である「900V」以上の電圧であれば良い。
[Modification]
(A) Intermediate circuit voltage In the above-described embodiment, the voltage (intermediate circuit voltage) of the DC link portion (between the main
また、補機用変換回路40の直流リンク部(補機側コンバータ41と静止形インバータ42との間)の電圧(中間回路電圧)についても同様である。すなわち、主変圧器20の三次巻線23に発生する「440V」の0.9倍である「396V」以上の電圧であれば良い。この場合、バッテリ50の定格電圧は、補機用変換回路40の中間回路電圧と等しくすれば良い。
The same applies to the voltage (intermediate circuit voltage) of the DC link portion (between the auxiliary
(B)高速度遮断器BHB
また、架線モードにおいて、高速度遮断器BHBを投入しても良い。この場合、バッテリ50の放電電力を静止形インバータ42を介して補機に供給したり、補機側コンバータ41の出力電力(架線からの供給電力)によってバッテリ50を充電するといったことが可能となる。
(B) High speed circuit breaker BHB
Further, in the overhead line mode, the high-speed circuit breaker BHB may be inserted. In this case, the discharge power of the
1 電源システム
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(SIV)
50 バッテリ、60 制御部
BHB 高速度遮断器
Ktp,Ktn,Klp,Kln,Kp,Kn 接触器
L、Lp,Ln リアクトル
2 パンタグラフ、3 車輪、4 主電動機
1 Power System VCB
50 battery, 60 controller BHB high speed circuit breaker Ktp, Ktn, Klp, Kln, Kp, Kn contactor L, Lp,
Claims (4)
第1接触器を介して主変圧器の二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、
前記主変圧器の三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、
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ているとともに、第2接触器及びリアクトルを介して前記第1コンバータ部の入力端に接続され、
前記制御装置は、
前記第1接触器を投入するとともに前記第2接触器を開放し、前記第1コンバータ部を整流動作させることで、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接触器を開放するとともに前記第2接触器を投入して前記リアクトルを前記第1コンバータ部に接続させ、前記第1コンバータ部をチョッパ動作させることで、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。 An electric vehicle power supply system capable of switching between an overhead line mode of traveling based on AC power from an overhead line and a battery mode of traveling based on output power of the battery,
A main converter circuit that has a first converter unit and a first inverter unit connected to the secondary winding of the main transformer via the first contactor, and supplies power for driving the main motor;
A conversion circuit for auxiliary equipment that has a second converter section and a second inverter section connected to the tertiary winding of the main transformer, and supplies power to the auxiliary equipment,
A control device;
With
The battery is connected to a DC link portion of the auxiliary converter conversion circuit, and is connected to an input end of the first converter portion via a second contactor and a reactor,
The controller is
An overhead wire mode switching means for switching to the overhead wire mode by turning on the first contactor and opening the second contactor and rectifying the first converter unit;
Battery mode switching for switching to the battery mode by opening the first contactor and inserting the second contactor to connect the reactor to the first converter unit and operating the first converter unit as a chopper. Means,
Having
Electric vehicle power system.
前記架線モード切替手段は、
前記遮断器の開閉状態に関わらず、前記第2コンバータ部に前記バッテリの定格電圧相当の電圧を出力させるように動作させる、
請求項1に記載の電気車用電源システム。 The battery is connected to the DC link part through a circuit breaker,
The overhead line mode switching means includes
Regardless of the open / closed state of the circuit breaker, the second converter unit is operated to output a voltage corresponding to the rated voltage of the battery.
The electric vehicle power supply system according to claim 1.
請求項1又は2に記載の電気車用電源システム。 The control device has charging control means for causing the second converter unit to supply charging power to the battery in addition to the operating power of the auxiliary machine when the electric vehicle stops.
The power supply system for electric vehicles according to claim 1 or 2.
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