JP2016201947A - 電気鉄道システムおよび電気車 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡易に高調波を低減する。【解決手段】本発明に係る電気鉄道システム１は、電気車２０に電力を供給するシステムであって、多相交流電力から位相の異なる複数の多相交流電力を生成する変圧器１２を備え、電気車２０は、変圧器１２が生成した前記複数の多相交流電力を集電する集電部２１と、集電部２１が集電した複数の多相交流電力それぞれを直流電力に変換し、変換した各直流電力を合成して出力する変換部２２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電気車に電力を供給する電気鉄道システムおよび電気車に関する。

電気車に電力を供給する電気鉄道システムにおいては一般に、多相交流電力である三相交流電力が電気車に供給され、電気車において、ダイオード整流装置、ＡＣ−ＤＣコンバータ、サイリスタレオナードなどを用いて三相交流電力が直流電力に変換される。

三相交流電力を直流電力に変換する際に、大きな高調波が発生することがある。特に、ダイオード整流装置やサイリスタレオナードを用いた場合には、フィルタを用いても除去が困難な大きな高調波が発生して、電気車に電力を供給するき電側への負担が著しく大きくなる。そのため、高調波を低減するための技術が検討されている。

例えば、特許文献１には、２０度ずつ位相差を有する３組の三相交流電圧を生成する位相変圧器と、生成された３組の三相交流電圧それぞれを直流電圧に変換する３つの整流回路とを備え、３つの整流回路の出力を合成することで、高調波を低減する整流装置が記載されている。このような整流装置を電気車に搭載することで、高調波が低減された直流電圧を得ることができる。

特開２００５−２８７２５１号公報

特許文献１に開示されている整流装置が備えるような位相変圧器は一般に、質量が大きい。そのため、位相変圧器を備える整流装置を電気車に搭載すると、電気車の車両質量が大きくなり、電気車の駆動が困難となる。したがって、特許文献１に開示されている整流装置は、電気車への適用が困難であるという問題がある。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、より簡易に高調波を低減することができる電気鉄道システムおよび電気車を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る電気鉄道システムは、電気車に電力を供給する電気鉄道システムであって、多相交流電力から位相の異なる複数の多相交流電力を生成する変圧器を備え、前記電気車は、前記変圧器が生成した複数の多相交流電力を集電する集電部と、前記集電部が集電した複数の多相交流電力それぞれを直流電力に変換し、該変換した各直流電力を合成して出力する変換部と、を備える。

また、本発明に係る電気鉄道システムにおいて、前記変圧器は、位相が６０度ずれた２つの三相交流電力を生成することが好ましい。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る電気車は、位相の異なる複数の多相交流電力を集電する集電部と、前記集電部が集電した複数の多相交流電力それぞれを直流電力に変換し、該変換した直流電力を合成して出力する変換部と、を備える。

また、本発明に係る電気車において、前記複数の多相交流電力は、位相が６０度ずれた２つの三相交流電力であることが好ましい。

本発明に係る電気鉄道システムおよび電気車によれば、より簡易に高調波を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る電気鉄道システムの構成を示す図である。 図１に示す電気車の正面図である。 図１に示す変換器の出力波形の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電気鉄道システム１の構成を示す図である。

図１に示す電気鉄道システム１は、変圧器１２と、電気車２０とを備える。

変圧器１２は、地上側に設けられ、電気車２０に電力を供給するき電側の装置である。電気車２０は、変圧器１２から電力供給を受けて、動作する。

変圧器１２は、多相交流電力である三相交流電力を出力する交流電源１１から出力された三相交流電力を降圧するとともに、位相の異なる２つの三相交流電力を生成し、電線１３ａ，１３ｂを介して電気車２０に供給する。なお、通常、交流電源１１から出力される三相交流電力は非常に高圧である。

具体的には、変圧器１２は、一次側がＹ結線され、二次側がΔ結線（Ｙ−Δ結線）された三相トランス１２ａと、一次側がＹ結線され、二次側がＹ結線（Ｙ−Ｙ結線）された三相トランス１２ｂとを有する。三相トランス１２ａおよび三相トランス１２ｂそれぞれに交流電源１１から出力された三相電流電力が入力される。三相トランス１２ａはＹ−Δ結線され、三相トランス１２ｂはＹ−Ｙ結線されているため、三相トランス１２ａから出力される三相交流電力Ｐと三相トランス１２ｂから出力される三相交流電力Ｐ’とは位相が６０度ずれる。

三相トランス１２ａから出力された三相交流電力Ｐは、電線１３ａを介して、電気車２０に供給される。また、三相トランス１２ｂから出力された三相交流電力Ｐ’は、電線１３ｂを介して、電気車２０に供給される。このように、変圧器１２から出力された位相の異なる２つの三相交流電力Ｐ，Ｐ’はそれぞれ、電線１３ａ，１３ｂを介して、電気車２０に供給される。

図２は、電気車２０の正面図である。図２においては、電気車２０の集電方式として、電気車２０が走行するレールの側方に配置された電線から集電する側方集電方式を用いる例を示している。

側方集電方式を用いる場合、電線１３ａ，１３ｂは、電気車２０が走行する２本のレール（不図示）に沿って配置される。電線１３ａは、電気車２０が走行する２本のレールの一方に沿って配置され、三相交流電力Ｐの三相に対応する電線Ｕ，Ｖ，Ｗからなる。電線１３ｂは、電気車２０が走行する２本のレールの他方に沿って配置され、三相交流電力Ｐ’の三相に対応する電線Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’からなる。

電気車２０は、集電部２１と、変換部２２とを備える。

集電部２１は、集電装置２１ａ，２１ｂを備え、集電装置２１ａ，２１ｂにより、電線１３ａ，１３ｂを介して変圧器１２から出力された三相交流電力Ｐ，Ｐ’を集電する。

集電装置２１ａは、電線１３ａ側に設けられ、電線１３ａから三相交流電力Ｐを集電する。集電装置２１ｂは、電線１３ｂ側に設けられ、電線１３ｂから三相交流電力Ｐ’を集電する。

変換部２２は、集電部２１により集電された三相交流電力Ｐ，Ｐ’をそれぞれ直流電力に変換し、変換した各直流電力を合成して、電気車２０の負荷に供給する。なお、変換部２２から出力された直流電力は、不図示のインバータにより交流電力に変換されて、電気車２０を駆動する主電動機などに供給されることもある。

変換部２２は、整流装置２２ａ，２２ｂを備える。整流装置２２ａは、集電装置２１ａが集電した三相交流電力Ｐを直流電力に変換して出力する。整流装置２２ｂは、集電装置２１ｂが集電した三相交流電力Ｐ’を直流電力に変換して出力する。そして、整流装置３ａの出力と整流装置３ｂの出力とが合成されて変換部２２から出力される。整流装置２２ａ，２２ｂとしては、ダイオード整流装置、ＡＣ−ＤＣコンバータ、サイリスタレオナードなどを用いることができる。

通常、側方集電方式が用いられる場合、電気車２０には、上り方向と下り方向との折り返し運転に対応するために、２本のレールそれぞれに対応して、車両の両側に集電装置が設けられている。そのため、本実施形態においては、位相の異なる三相交流電力Ｐ，Ｐ’を集電するために新たに集電装置を電気車２０に設ける必要が無く、電気車２０の部品点数の増加を抑制することができる。

また、通常、側方集電方式においては、２本のレールの一方（例えば、ホームとは離れた側のレール）に対応して電気車２０に給電するための電線が設けられることが多い。しかし、本実施形態のように、２本のレールそれぞれに対応して電線１３ａ，１３ｂを設けること自体は、格別困難なことではない。

図３は、図１に示すＡ点における、変換部２２の出力電流波形の一例を示す図である。なお、図３においては、本実施形態に係る方式を用いた場合の電流波形を実線で示すとともに、比較のために、従来方式（１つの三相交流電力を直流電力に変換する方式）を用いた場合の電流波形を破線で示す。また、図３においては、直流成分については記載を省略し、歪成分（高調波成分）のみを示す。

図３に示すように、従来方式を用いた場合と比較して、本実施形態に係る方式においては、歪成分のピークの数（ピークが現れる頻度）は増加するが、ピークの大きさは、低減（例えば、半減）する。通常、従来方式では、電流のひずみ率は２０％程度と非常に大きくなることが知られている。一方、本願発明者が検討した結果、本実施形態に係る方式においては、ピークが低減することで、ひずみ率を５％程度にまで低減できることが分かった。

また、本実施形態に係る方式においては、地上に設けられた変圧器１２で位相の異なる複数の三相交流電力を生成している。そのため、位相の異なる複数の三相交流電力を生成するための位相変圧器などの構成を電気車２０が備える必要が無いので、本実施形態に係る方式は電気車２０への適用が容易であり、より簡易に高調波を低減することができる。

また、本実施形態に係る方式によれば、高調波のピークが低減することで、き電側に設ける高調波を除去するためのフィルタとして、従来方式と比較して安価なフィルタを用いることができる。

なお、本実施形態においては、三相交流電力Ｐ，Ｐ’の位相差は６０度である例を用いて説明したが、これに限られるものではない。三相交流電力間の位相差は電気鉄道システム１において許容される限り任意の値とすることができる。

また、本実施形態においては、位相の異なる２つの三相交流電力を電気車２０に供給する例を用いて説明したが、これに限られるものではない。電気車２０に供給する位相の異なる三相交流電力の数Ｎは３以上であってもよい。なお、電気車２０に供給する位相の異なる三相交流電力の数がＮである場合、各三相交流電力の位相差は１２０／Ｎ度とすることで、最も高調波を低減することができる。

このように本実施形態によれば、電気鉄道システム１は、交流電源１１が出力した多相交流電力から位相の異なる複数の多相交流電力を生成する変圧器１２を備える。電気車２０は、変圧器１２が生成した複数の多相交流電力を集電する集電部２１と、集電部２１が集電した複数の多相交流電力それぞれを直流電力に変換し、変換した各直流電力を合成して出力する変換部２２とを備える。

き電側において位相の異なる複数の多相交流電力を生成し、電気車２０において、各多相交流電力を直流電力に変換して合成することで、電気車２０の駆動を困難とするような車両質量の増加を招くことなく、より簡易に高調波を低減することができる。

本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロックなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１ 電気鉄道システム
１１ 交流電源
１２ 変圧器
１３ 供給手段
１３ａ，１３ｂ 電線
１２ａ，１２ｂ 三相トランス
２０ 電気車
２１ 集電部
２１ａ，２１ｂ 集電装置
２２ 変換部
２２ａ，２２ｂ 整流装置

Claims (4)

1. 電気車に電力を供給する電気鉄道システムであって、
   多相交流電力から位相の異なる複数の多相交流電力を生成する変圧器を備え、
   前記電気車は、
   前記変圧器が生成した複数の多相交流電力を集電する集電部と、
   前記集電部が集電した複数の多相交流電力それぞれを直流電力に変換し、該変換した各直流電力を合成して出力する変換部と、
   を備えることを特徴とする電気鉄道システム。
2. 請求項１記載の電気鉄道システムにおいて、
   前記変圧器は、位相が６０度ずれた２つの三相交流電力を生成することを特徴とする電気鉄道システム。
3. 位相の異なる複数の多相交流電力を集電する集電部と、
   前記集電部が集電した複数の多相交流電力それぞれを直流電力に変換し、該変換した直流電力を合成して出力する変換部と、
   を備えることを特徴とする電気車。
4. 請求項３記載の電気車において、
   前記複数の多相交流電力は、位相が６０度ずれた２つの三相交流電力であることを特徴とする電気車。

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