JP2018050406A - 補助電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】補助電源装置に一般的に接続されている蓄電装置を用い、システム全体の大型化を防ぎながら、走行制御装置の回生ブレーキ動作時における回生電力を吸収する。
【解決手段】補助電源装置50,50A,50Bは、電車線10から供給された入力電力を運転指令器70が出力する運転指令に基づいて変換して走行制御を行う走行制御装置30,30Aに並列に接続され、入力電力を変換して蓄電装置60に充電可能であり、出力電圧指令を、走行制御装置30,30Aが力行制御を行っている場合には定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置30,30Aが制動制御を行っている場合には定格電圧よりも大きな値に決定する電圧指令決定部52,52A,52Bと、出力電圧指令に基づいて入力電力を変換する電力変換器51と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、蓄電装置に充電可能な、鉄道車両用の補助電源装置に関するものである。
近年の鉄道車両では、制動時に電動機を発電機として動作させることにより運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、得られた回生電力を電車線(架線)に戻して他の力行中の車両に再利用させる回生ブレーキ制御が広く用いられている。ただし、回生電力を吸収する力行車両が存在しない場合には回生失効してしまう。そこで、回生ブレーキにより得られる回生電力の電車線への回生が断たれた時に、回生電力を蓄電装置で吸収する技術が注目されている。
例えば、特許文献1には、鉄道車両において、インバータ装置に接続された電車線と並列に蓄電装置を接続し、回生電力を蓄電装置で吸収する技術が開示されている。
また特許文献2には、鉄道車両において、電車線に接続された蓄電装置の出力に補助電源装置(SIV)を接続し、回生電力を有効活用する技術が開示されている。
特開2008−228451号公報 特開2015−204665号公報
しかしながら、特許文献1,2に記載の鉄道車両は、既存のシステムに新たに蓄電装置を追加しているため、機器の増加及びシステム全体の大型化という問題があった。
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、補助電源装置に一般的に接続されている蓄電装置を用い、システム全体の大型化を防ぎながら、走行制御装置の回生ブレーキ動作時における回生電力を吸収することが可能な補助電源装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係る補助電源装置は、電車線から供給された入力電力を運転指令器が出力する運転指令に基づいて変換して走行制御を行う走行制御装置に並列に接続され、前記入力電力を変換して蓄電装置に充電可能な補助電源装置であって、出力電圧指令を、前記走行制御装置が力行制御を行っている場合には定格電圧よりも小さな値に決定し、前記走行制御装置が制動制御を行っている場合には前記定格電圧よりも大きな値に決定する電圧指令決定部と、前記出力電圧指令に基づいて、前記入力電力を変換する電力変換器と、を備えることを特徴とする。
さらに、本発明に係る補助電源装置において、前記電車線間の電圧が印加されるコンデンサを備え、前記電圧指令決定部は、前記コンデンサに印加された電圧に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする。
さらに、本発明に係る補助電源装置において、前記走行制御装置は、前記電車線から供給された入力電力を示す走行制御装置電力値を出力し、前記電圧指令決定部は、前記走行制御装置電力値に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする。
さらに、本発明に係る補助電源装置において、前記電圧指令決定部は、前記運転指令器が出力する運転指令に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする。
本発明によれば、既存システムとは別途接続した蓄電システムを使用せずに、補助電源装置に一般的に接続されている蓄電装置の蓄電電圧を可変とすることで、装置全体の大型化を防ぎながら、走行制御装置の回生ブレーキ動作時に、回生電力を吸収しつつ、回生失効を防止することができる。
また、走行制御装置の力行動作時に、電車線から流入する電力を低減することができる。
本発明の第1の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る補助電源装置の構成例を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る補助電源装置の動作例を示すタイムチャートである。 本発明の第2の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る補助電源装置の構成例を示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る補助電源装置の動作例を示すタイムチャートである。 本発明の第3の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。 本発明の第3の実施形態に係る補助電源装置の構成例を示す図である。 本発明の第3の実施形態に係る補助電源装置の動作例を示すタイムチャートである。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。図1に示す鉄道車両用蓄電システム1は、電車線(架線)10と、集電装置20と、走行制御装置(主制御装置)30と、モータ(主電動機)40と、補助電源装置50と、蓄電装置60と、運転指令器70とを備える。
集電装置20は、電車線10から電力を取得し、走行制御装置30及び補助電源装置50に出力する。
運転指令器70は、運転指令として力行指令PP及びブレーキ指令BBを走行制御装置30に出力する。
走行制御装置30は、電車線10から集電装置20を介して供給された入力電力を、運転指令器70が出力する力行指令PP及びブレーキ指令BBに基づいて変換し、モータ40を駆動することにより走行制御を行う。例えば、走行制御装置30は、集電装置20から入力された直流電力を、VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)制御を行って交流電力に変換する。
補助電源装置50は、走行制御装置30と並列に接続され、電車線10から集電装置20を介して供給された入力電力を変換し、補助電源装置50の出力側に接続された蓄電装置60に充電する。
図2は、補助電源装置50の構成例を示す図である。補助電源装置50は、電力変換器51と、電圧指令決定部52と、コンデンサ53と、電圧センサ(電圧検出部)54とを備える。
コンデンサ53は、補助電源装置50の入力側に配置され、集電装置20を介して電車線間の電圧が印加される。
電圧センサ54は、コンデンサ53に印加された電圧を検出し、検出したコンデンサ電圧Vcを電圧指令決定部52に出力する。
電圧指令決定部52は、出力電圧指令Vout を、走行制御装置30が力行制御を行っている場合には定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置30が制動(回生ブレーキ)制御を行っている場合には定格電圧よりも大きな値に決定し、電力変換器51に出力する。第1の実施形態では、電圧指令決定部52は、電圧センサ54により検出されたコンデンサ電圧Vcに基づいて走行制御装置30が力行制御又は制動制御を行っていることを判断する。
電力変換器51は、電圧指令決定部52により決定された出力電圧指令Vout に基づいて、電車線10から供給された入力電力を変換し、蓄電装置60に充電する。
次に、電圧指令決定部52の動作に関して説明する。図3は、電圧指令決定部52の動作例を示すタイムチャートである。
走行制御装置30が運転指令器70の指令を受けて力行動作又は回生ブレーキ動作を行った時、コンデンサ53に印加されるコンデンサ電圧Vcは変化する。力行動作時は電圧が低下し、回生ブレーキ動作時は電圧が上昇することが一般的である。また、力行動作時は電車線10から電力が流入し、回生ブレーキ動作時は電車線10へ電力が流出することが一般的である。
電圧指令決定部52は、コンデンサ電圧Vと、力行判別電圧VcP及びブレーキ判別電圧VcBとの比較により、出力電圧指令Vout を決定する。
コンデンサ電圧Vが式(1)の条件を満たす時は、出力電圧指令Vout を定格電圧指令Vtypに決定する。
[数1]
cP≦V≦VcB (1)
コンデンサ電圧Vが式(2)の条件を満たす時は、出力電圧指令Vout を最小電圧指令Vに決定する。
[数2]
<VcP (2)
コンデンサ電圧Vが式(3)の条件を満たす時は、出力電圧指令Vout を最大電圧指令Vに決定する。
[数3]
cB<V (3)
電圧指令決定部52は、出力電圧指令Vout を変更する時、図3に示すように徐々に変化させてもよい。また、式(1)〜(3)に表される力行判別電圧VcP及びブレーキ判別電圧VcBにヒステリシスを設けてもよい。
出力電圧指令Vout が、最大電圧指令Vから定格電圧指令Vtypに変化する過程時と、定格電圧指令Vtypから最小電圧指令Vに変化する過程時には、集電装置20から補助電源装置50に入力する電力は減少する。
一方、出力電圧指令Vout が、最小電圧指令Vから定格電圧指令Vtypに変化する過程時と、定格電圧指令Vtypから最大電圧指令Vに変化する過程時には、集電装置20から補助電源装置50に入力する電力は増加する。
このように、補助電源装置50は、コンデンサ印加電圧Vに基づいて、走行制御装置30が力行制御又は制動制御を行っていることを判断し、走行制御装置30が力行制御を行っている場合には出力電圧指令Vout を定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置30が制動制御を行っている場合には出力電圧指令Vout を定格電圧よりも大きな値に決定する。このため、走行制御装置30が力行動作を開始した時に補助電源装置50の入力電力を下げることができ、その結果、集電装置20(すなわち、電車線)から流入する電力を減らすことができる。また、走行制御装置30が回生ブレーキ動作を開始した時に補助電源装置50の入力電力を上げることができ、その結果、走行制御装置30の回生電力を吸収し、電車線10に関する影響を抑制することが可能となる。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。図4は、第2の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。鉄道車両用蓄電システム2は、電車線(架線)10と、集電装置20と、走行制御装置(主制御装置)30Aと、モータ(主電動機)40と、補助電源装置50Aと、蓄電装置60と、運転指令器70とを備える。鉄道車両用蓄電システム2は、第1の実施形態に係る鉄道車両用蓄電システム1と比較して、走行制御装置30に代えて走行制御装置30Aを備え、補助電源装置50に代えて補助電源装置50Aを備える点が相違する。
走行制御装置30Aは、走行制御装置30と同様に、電車線10から集電装置20を介して供給された入力電力を、運転指令器70が出力する力行指令PP及びブレーキ指令BBに基づいて変換し、モータ40を駆動することにより走行制御を行う。走行制御装置30Aは、電車線から供給された入力電力を示す走行制御装置電力値Powを補助電源装置50Aに出力する点が走行制御装置30と相違する。
補助電源装置50Aは、走行制御装置30Aから走行制御装置電力値Powを入力する機能を有する点が、補助電源装置50と異なる。
図5は、補助電源装置50Aの構成例を示す図である。図2と比較して、電圧指令決定部52に代えて電圧指令決定部52Aを備える点が相違する。
電圧指令決定部52Aは、出力電圧指令Vout を、走行制御装置30Aが力行制御を行っている場合には定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置30Aが制動(回生ブレーキ)制御を行っている場合には定格電圧よりも大きな値に決定し、電力変換器51に出力する。第2の実施形態では、電圧指令決定部52Aは、走行制御装置電力値Powに基づいて走行制御装置30Aが力行制御又は制動制御を行っていることを判断する。
電力変換器51は、電圧指令決定部52Aにより決定された出力電圧指令Vout に基づいて、電車線10から供給された入力電力を変換し、蓄電装置60に充電する。
次に、電圧指令決定部52Aの動作に関して説明する。図6は、電圧指令決定部52Aの動作例を示すタイムチャートである。
走行制御装置30Aが運転指令器70の指令を受けて力行又は回生ブレーキ動作を行った時、走行制御装置電力値Powは変化する。力行動作時は電力が正の値で増加し、すなわち電車線10から電力が流入する。回生ブレーキ動作時は電力が負の値で増加し、すなわち電車線10へ電力が流出する。
電圧指令決定部52Aは、走行制御装置電力値Powと、力行判別電力PowP及びブレーキ判別電力PowBとの比較により、出力電圧指令Vout を決定する。
走行制御装置電力値Powが式(4)の条件を満たす時は、出力電圧指令Vout を定格電圧指令Vtypに決定する。
[数4]
owB≦Pow≦PowP (4)
走行制御装置電力値Powが式(5)の条件を満たす時は、出力電圧指令Vout を最小電圧指令Vに決定する。
[数5]
owP<Pow (5)
走行制御装置電力値Powが式(6)の条件を満たす時は、出力電圧指令Vout を最大電圧指令Vに決定する。
[数6]
ow<PowB (6)
電圧指令決定部52Aは、出力電圧指令Vout を変更する時、図6に示すように徐々に変化させてもよい。また、式(4)〜(6)に表される力行判別電力PowP及びブレーキ判別電力PowBにヒステリシスを設けてもよい。
出力電圧指令Vout が、最大電圧指令Vから定格電圧指令Vtypに変化する過程時と、定格電圧指令Vtypから最小電圧指令Vに変化する過程時には、集電装置20から補助電源装置50Aに入力する電力は減少する。
一方、出力電圧指令Vout が、最小電圧指令Vから定格電圧指令Vtypに変化する過程時と、定格電圧指令Vtypから最大電圧指令Vに変化する過程時には、集電装置20から補助電源装置50Aに入力する電力は増加する。
このように、補助電源装置50Aは、走行制御装置電力値Powに基づいて、走行制御装置30Aが力行制御又は制動制御を行っていることを判断し、走行制御装置30Aが力行制御を行っている場合には出力電圧指令Vout を定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置30Aが制動制御を行っている場合には出力電圧指令Vout を定格電圧よりも大きな値に決定する。このため、走行制御装置30Aが力行動作を開始した時に補助電源装置50Aの入力電力を下げることができ、その結果、集電装置20(すなわち、電車線)から流入する電力を減らすことができる。また、走行制御装置30Aが回生ブレーキ動作を開始した時に補助電源装置50Aの入力電力を上げることができ、その結果、走行制御装置30Aの回生電力を吸収し、電車線10に関する影響を抑制することが可能となる。
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。図7は、第3の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。鉄道車両用蓄電システム3は、電車線(架線)10と、集電装置20と、走行制御装置(主制御装置)30と、モータ(主電動機)40と、補助電源装置50Bと、蓄電装置60と、運転指令器70とを備える。鉄道車両用蓄電システム3は、第1の実施形態に係る鉄道車両用蓄電システム1と比較して、補助電源装置50に代えて補助電源装置50Bを備える点が相違する。
運転指令器70は、運転指令として力行指令PP及びブレーキ指令BBを走行制御装置30及び補助電源装置50Bに出力する。
補助電源装置50Bは、運転指令器70が出力する力行指令PP及びブレーキ指令BBを入力する機能を有する点が、補助電源装置50と異なる。
図8は、補助電源装置50Bの構成例を示す図である。図2と比較して、電圧指令決定部52に代えて電圧指令決定部52Bを備える点が相違する。
電圧指令決定部52Bは、出力電圧指令Vout を、走行制御装置30が力行制御を行っている場合には定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置30が制動(回生ブレーキ)制御を行っている場合には定格電圧よりも大きな値に決定し、電力変換器51に出力する。第3の実施形態では、電圧指令決定部52Bは、運転指令器70が出力する力行指令PP及びブレーキ指令BBに基づいて走行制御装置30が力行制御又は制動制御を行っていることを判断する。
電力変換器51は、電圧指令決定部52Bにより決定された出力電圧指令Vout に基づいて、電車線10から供給された入力電力を変換し、蓄電装置60に充電する。
次に、電圧指令決定部52Bの動作に関して説明する。図9は、電圧指令決定部52Bの動作例を示すタイムチャートである。
走行制御装置30が運転指令器70の指令を受けて力行又は回生ブレーキ動作を行った時、走行制御装置30が変換する電力は変化する。力行動作時は電力が正の値で増加し、すなわち電車線10から電力が流入する。回生ブレーキ動作時は電力が負の値で増加し、すなわち電車線10へ電力が流出する。
電圧指令決定部52Bは、力行指令PP及びブレーキ指令BBに基づき、出力電圧指令Vout を決定する。
力行指令PP及びブレーキ指令BBが共に加圧されていない時は、出力電圧指令Vout は定格電圧指令Vtypを出力する。
力行指令PPが加圧されている時は、出力電圧指令Vout は最小電圧指令Vを出力する。
ブレーキ指令BBが加圧されている時は、出力電圧指令Vout は最大電圧指令Vを出力する。
電圧指令決定部52Bは、出力電圧指令Vout を変更する時、図9に示すように徐々に変化させてもよい。
出力電圧指令Vout が、最大電圧指令Vから定格電圧指令Vtypに変化する過程時と、定格電圧指令Vtypから最小電圧指令Vに変化する過程時には、集電装置20から補助電源装置50Bに入力する電力は減少する。
一方、出力電圧指令Vout が、最小電圧指令Vから定格電圧指令Vtypに変化する過程時と、定格電圧指令Vtypから最大電圧指令Vに変化する過程時には、集電装置20から補助電源装置50Bに入力する電力は増加する。
このように、補助電源装置50Bは、力行指令PP及びブレーキ指令BBに基づいて、走行制御装置30が力行制御又は制動制御を行っていることを判断し、走行制御装置30が力行制御を行っている場合には出力電圧指令Vout を定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置30が制動制御を行っている場合には出力電圧指令Vout を定格電圧よりも大きな値に決定する。このため、走行制御装置30が力行動作を開始した時に補助電源装置50Bの入力電力を下げることができ、その結果、集電装置20(すなわち、電車線)から流入する電力を減らすことができる。また、走行制御装置30が回生ブレーキ動作を開始した時に補助電源装置50Bの入力電力を上げることができ、その結果、走行制御装置30の回生電力を吸収し、電車線10に関する影響を抑制することが可能となる。
以上のように、本願発明によれば、補助電源装置に一般的に接続されている蓄電装置の蓄電電圧を可変にすることで、装置全体の大型化を防ぎながら、走行制御装置の回生ブレーキ動作時における回生電力を吸収でき、かつ走行制御装置の力行動作時に電車線から流入する電力も低減することができる。
上述の実施形態は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の複数の構成ブロックを1つに組み合わせたり、あるいは1つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。
本発明は、鉄道車両用蓄電システムにおいて、補助電源装置に一般的に接続されている蓄電装置のみで、走行制御装置の回生ブレーキ動作時の回生電力を吸収でき、かつ走行制御装置の力行動作時の電車線から流入する電力も低減できるため、鉄道車両用の補助電源装置に有用である。
1,2,3 鉄道車両用蓄電システム
10 電車線(架線)
20 集電装置
30,30A 走行制御装置(主制御装置)
40 モータ(主電動機)
50,50A,50B 補助電源装置
51 電力変換器
52,52A,52B 電圧指令決定部
53 コンデンサ
54 電圧センサ
60 蓄電装置
70 運転指令器

Claims (4)

  1. 電車線から供給された入力電力を運転指令器が出力する運転指令に基づいて変換して走行制御を行う走行制御装置に並列に接続され、前記入力電力を変換して蓄電装置に充電可能な補助電源装置であって、
    出力電圧指令を、前記走行制御装置が力行制御を行っている場合には定格電圧よりも小さな値に決定し、前記走行制御装置が制動制御を行っている場合には前記定格電圧よりも大きな値に決定する電圧指令決定部と、
    前記出力電圧指令に基づいて、前記入力電力を変換する電力変換器と、
    を備えることを特徴とする補助電源装置。
  2. 電車線間の電圧が印加されるコンデンサを備え、
    前記電圧指令決定部は、前記コンデンサに印加された電圧に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする、請求項1に記載の補助電源装置。
  3. 前記走行制御装置は、前記電車線から供給された入力電力を示す走行制御装置電力値を出力し、
    前記電圧指令決定部は、前記走行制御装置電力値に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする、請求項1に記載の補助電源装置。
  4. 前記電圧指令決定部は、前記運転指令器が出力する運転指令に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする、請求項1に記載の補助電源装置。
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