JP2020058105A - 電源車用電気連結回路、電源車、編成車両用電気連結回路、編成車両および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来とは全く異なる手法によって、複数の電力供給方式に対応した電気車の走行を可能とすること。【解決手段】電源車用電気連結回路１２を備えた電源車１０を、編成車両用電気連結回路２２を備えた編成車両２０に連結し、電源車用電気連結回路１２と編成車両用電気連結回路２２とを連結することで、電源車１０から編成車両２０に電力を供給する。電源車１０は、架線からパンタグラフ１４によって集電した架線電力、蓄電部の蓄電電力、第三軌条から集電靴によって集電した電力、の何れかに基づいて主電動機を駆動して走行することが可能であるとともに、この電力を、連結された編成車両２０に引通し線３０を介して供給することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、編成車両に電力を供給するための電源車等に関する。

バッテリ等の蓄電池を電気車に搭載した蓄電池電気車の開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。蓄電池電気車は、電化区間では、架線電力をもとに主電動機を駆動して走行しつつ架線電力および回生電力で蓄電池を充電し、非電化区間では、蓄電池の蓄電電力をもとに走行することができる。

特開２０１６−１６３３６５号公報

蓄電池電気車を非電化区間で走行させる場合、主電動機の駆動電力の全てを蓄電池の蓄電電力でまかなうことになり、走行距離が長くなるほど、必要な蓄電電力量が増加する。これに対処するには、蓄電池を大型化する、途中で蓄電池の充電を行う、といったことが考えられる。蓄電池を大型化する場合、車両に大きな艤装空間を確保する必要があるため、大型化には限度がある。また、途中で充電を行う場合、急速充電が可能な充電施設の建設が必要となるため、運行本数が少ない線区では、鉄道運営に対するコストが見合わず現実的ではない。

また、特許文献１に開示されている蓄電池電気車は、架線（架空式電車線路ともいう）を介して地上から電気車へ電力を供給する架線式の電化区間を想定しているが、地上から電気車への電力供給方式としては、この架線式や、主に地下鉄で用いられる第三軌条式といった接触給電方式と、未だ開発段階ではあるが電磁誘導や電磁界共鳴などを利用した非接触給電方式と、に大別される様々な方式が開発・実用されている。そこで、電力供給方式が異なる複数の区間を走行可能な電気車とする場合、それぞれの電力供給方式に対応した装置や部品（パンタグラフや集電靴といった集電器を含む）を設計・製造して搭載することになり、車両に大きな艤装空間を確保する必要があった。

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、従来とは全く異なる手法によって、複数の電力供給方式に対応した電気車の走行を可能とすること、である。

上記課題を解決するための第１の発明は、
一端側が、引通し線（例えば、図２の引通し線３０）に接続され、他端側が、電源車連結端子（例えば、図２の電源車連結端子３２）に接続された電源車連結用第１接触器（例えば、図３の第１接触器ＬＢ１）と、
抵抗器（例えば、図３の第２抵抗器Ｒ２）及び電源車連結用第２接触器（例えば、図３の第２接触器ＬＢ２）の直列回路であって、一端側が、前記電源車連結用第１接触器の他端側及び前記電源車連結端子に接続され、他端側が、接地線に接続された直列回路と、
を備えた電源車用電気連結回路（例えば、図３の電源車用電気連結回路１２）である。

また、第２の発明は、第１の発明の電源車用電気連結回路を備えた電源車（例えば、図２の電源車１０）である。

また、第３の発明は、
第１の発明の電源車用電気連結回路と、
主電動機（例えば、図３の主電動機Ｍ）と、
主開閉装置（例えば、図３の主開閉装置ＳＷＭ）を介して前記引通し線に接続された直流電力ラインに接続され、前記直流電力ラインに供給される電力に基づいて前記主電動機に駆動電力を供給する主変換回路（例えば、図３の主変換回路４２）と、
前記直流電力ラインに接続された補機類に係る補機回路（例えば、図３の補機回路４３）と、
前記引通し線に供給される電力を電車線路から集電するための集電器（例えば、図３のパンタグラフ１４）と、
第２の電源システム（例えば、図３の蓄電部ＢＴ）と、
一端側が前記第２の電源システムに接続され、他端側が前記直流電力ラインに接続された第１開閉装置（例えば、図３の第１開閉装置ＳＷ１）と、
一次側と二次側との間の双方向の電圧変換が可能な電圧変換回路（例えば、図３のＤＣ／ＤＣコンバータ４５）と、
一端側が前記直流電力ラインに接続され、他端側が前記電圧変換回路の一次側に接続された第２開閉装置（例えば、図３の第２開閉装置ＳＷ２）と、
一端側が前記第２の電源システムに接続され、他端側が前記電圧変換回路の二次側に接続された第３開閉装置（例えば、図３の第３開閉装置ＳＷ３）と、
前記主開閉装置、前記第１開閉装置、前記第２開閉装置及び前記第３開閉装置の投入／開放と、前記電圧変換回路の動作とを制御することで、前記電車線路から集電される電力をもとに走行する第１のモード（例えば、実施形態の「架線モード」）と、前記第２の電源システムから供給される電力をもとに走行する第２のモード（例えば、実施形態の「蓄電池モード」）とを切り替える制御部（例えば、図３の制御部ＣＴＲ１）と、
を備えた電源車である。

第１〜第３の発明によれば、電源車用電気連結回路を備えた電源車を実現することができる。そして、この電源車を、例えば編成車両に連結することで、電源車から編成車両に電力を供給することができるようになる。つまり、電源車は、電車線路から集電される電力、および、第２の電源システムから供給される電力、の何れの電力に基づいても主電動機を駆動して走行可能であるともに、この電力を、連結された編成車両に引通し線を介して供給することができるようになる。従って、電車線路が設けられた区間であれば自走できるが、電車線路が設けられない区間では自走できない編成車両に電源車を連結することで、電車線路が設けられていない区間であっても、編成車両は電源車からの供給電力をもとに走行することが可能となる。

第４の発明は、第３の発明において、
前記第２の電源システムは、蓄電部（例えば、図３の蓄電部ＢＴ）である、
電源車である。

第４の発明によれば、第２の電源システムとして蓄電部を備える電源車を実現できる。つまり、電源車は、電車線路が設けられていない非電化区間において、蓄電部の蓄電電力をもとに走行することができるとともに、蓄電電力を、連結された編成車両に引き通し線を介して供給することができる。従って、編成車両は、この電源車と連結することで、電源車から供給される蓄電部の蓄電電力をもとに非電化区間を走行することが可能となる。

第５の発明は、第３の発明において、
前記第２の電源システムは、前記電車線路とは異なる第２の電車線路から電力を集電する第２の集電器を有する、
電源車である。

第５の発明によれば、第２の電源システムとして、電車線路とは異なる第２の電車線路から集電するための第２の集電器を有する電源車を実現できる。つまり、電源車は、第２の電車線路が設けられた区間において、第２の電車線路からの集電電力をもとに走行することができるとともに、この第２の電車線路からの集電電力を、連結された編成車両に引き通し線を介して供給することができる。従って、編成車両は、この電源車と連結することで、電源車から供給される電力をもとに第２の電車線路が設けられた電化区間を走行することができる。

第６の発明は、第３〜第５の発明の何れかにおいて、
直流電力を前記直流電力ラインに供給するか否かを前記制御部により制御可能な第３の電源システム（例えば、図３の集電靴４４および第４開閉装置ＳＷ４）、
を更に備え、
前記制御部は、更に、前記第３の電源システムによる前記直流電力ラインへの直流電力の供給を制御することで、前記第３の電源システムから供給される電力をもとに走行する第３のモード（例えば、実施形態の「第三軌条モード」）に切り替える制御を行う、
電源車である。

第６の発明によれば、更に第３の電源システムを備える電源車を実現できる。つまり、電源車は、第３の電源システムの供給電力をもとに走行することができるとともに、この供給電力を、連結された編成車両に引き通し線を介して供給することができる。従って、編成車両は、この電源車と連結することで、電源車から供給される電力をもとに走行することができる。

第７の発明は、第４の発明において、
前記電車線路とは異なる第２の電車線路（例えば、「第三軌条」）から集電するための第２の集電器（例えば、図３の集電靴４４）を有し、直流電力を前記直流電力ラインに供給するか否かを前記制御部により制御可能な第３の電源システム（例えば、図３の集電靴４４および第４開閉装置ＳＷ４）、
を更に備え、
前記制御部は、更に、前記第３の電源システムによる前記直流電力ラインへの直流電力の供給を制御することで、前記第３の電源システムから供給される電力をもとに走行する第３のモード（例えば、実施形態の「第三軌条モード」）に切り替える制御を行う、
電源車である。

第７の発明によれば、電車線路とは異なる第２の電車線路から集電するための第２の集電器を有する第３の電源システムを、更に備える電源車を実現できる。つまり、電源車は、第２の電車線路が設けられた区間において、第２の電車線路からの集電電力をもとに走行することができるとともに、この第２の電車線路からの集電電力を、連結された編成車両に引き通し線を介して供給することができる。従って、編成車両は、この電源車と連結することで、電源車から供給される電力をもとに第２の電車線路が設けられた電化区間を走行することができる。

第８の発明は、第６又は第７の発明において、
前記制御部は、
前記第１のモードから前記第３のモードへの切り替えの際に、一時的に前記第２のモードへ切り替えた後に前記第３のモードへ切り替える制御を行い（例えば、図６）、
前記第３のモードから前記第１のモードへの切り替えの際に、一時的に前記第２のモードへ切り替えた後に前記第１のモードへ切り替える制御を行う（例えば、図１０）、
電源車である。

第８の発明によれば、第１のモードと第３のモードとの切り替えの際には、第２のモードへの切り替えを経由することで、モードの切り替えを安全に行うことが可能となる。例えば、電車線路の電圧と、電源車における第２の電源システムまたは第３の電源システムの供給電圧との間に電圧差が生じる場合に、第１のモードと第２のモードとの切り替えに際して、電圧変換回路によって、電車線路の電圧と第２の電源システムの供給電圧との電圧差による電流を生じさせないように制御することが可能である。このため、第１のモードと第３のモードとの切り替えの際には第２のモードへの切り替えを経由することとすることで、モードの切り替えを安全に行うことが可能となる。

第９の発明は、
第３〜第８の何れかの発明の電源車において、
前記制御部は、前記主開閉装置が投入され、前記第１開閉装置、前記第２開閉装置及び前記第３開閉装置が開放された状態の前記第１のモードから、前記第２のモードに切り替える場合に、
前記第２開閉装置を投入し、前記電車線路の電圧が前記第２の電源システムの供給電圧より低い場合に、前記電圧変換回路を前記第２の電源システムの供給電力に基づいて均圧制御すること（例えば、図８のステップＣ１〜Ｃ３）、
前記第３開閉装置を投入し、前記一次側の電圧が前記電車線路の電圧となるように均圧制御すること（例えば、図８のステップＣ５〜Ｃ７）、
前記集電器を非集電状態に遷移させる、或いは、前記集電器の集電電力の前記引通し線への供給を遮断する制御を行うこと（例えば、図８のステップＣ９）と、
前記電圧変換回路を前記第２の電源システムの供給電力に基づいて均圧制御すること（例えば、図８のステップＣ１３）、
前記第１開閉装置を投入すること（例えば、図８のステップＣ１５）、
前記電圧変換回路の動作停止と、前記第２開閉装置及び／又は前記第３開閉装置の開放とを行うこと（例えば、図８のステップＣ１７〜Ｃ１９）、
の順に実行制御する、
電源車である。

第９の発明によれば、電車線路の電圧と第２の電源システムの供給電圧とが異なっている場合であっても、その電圧差によって生じる電流を直流電力ラインや引通し線に生じさせることなく、安全に第１のモードから第２のモードに切り替えることができる。また、第１のモードから第２のモードへの切り替えを、電源車から編成車両への電力供給を継続したまま行うことができるため、編成車両の補機の動作を停止させる必要がない。

第１０の発明は、
第３〜第９の何れかの発明の電源車において、
前記制御部は、前記主開閉装置及び前記第１開閉装置が投入され、前記第２開閉装置及び／又は前記第３開閉装置が開放された状態の前記第２のモードから、前記第１のモードに切り替える場合に、
前記第２開閉装置及び前記第３開閉装置を投入した状態とした後、前記電圧変換回路を記第２の電源システムの供給電力に基づいて均圧制御すること（例えば、図１２のステップＧ１〜Ｇ３）、
前記第１開閉装置を開放すること（例えば、図１２のステップＧ５）、
前記一次側の電圧が前記電車線路の電圧となるように均圧制御すること（例えば、図１２のステップＧ７）、
前記集電器を集電状態に遷移させる、或いは、前記集電器の集電電力の前記引通し線への供給を開始させる制御を行うこと（例えば、図１２のステップＧ９）、
前記電圧変換回路の動作停止と、前記第２開閉装置及び／又は前記第３開閉装置の開放とを行うこと（例えば、図１２のステップＧ１３〜Ｇ１５）、
の順に実行制御する、
電源車である。

第１０の発明によれば、電車線路の電圧と第２の電源システムの供給電圧とが異なっている場合であっても、その電圧差によって生じる電流を直流電力ラインや引通し線に生じさせることなく、安全に第２のモードから第１のモードに切り替えることができる。また、第２のモードから第１のモードへの切り替えを、電源車から編成車両への電力供給を継続したまま行うことができるため、編成車両の補機の動作を停止させる必要がない。

第１１の発明は、
第２〜第１０の何れかの発明の電源車と、編成車両（例えば、図２の編成車両２０）とを連結して前記電源車から前記編成車両へ電力を供給するための前記編成車両に設けられた編成車両用電気連結回路（例えば、図２の編成車両用電気連結回路２２）であって、
前記編成車両は、主電動機（例えば、図５の主電動機Ｍ）と、当該編成車両に設けられた集電器（例えば、図５のパンタグラフ２４）による電車線路からの集電電力に基づき前記主電動機を駆動する主変換回路（例えば、図５の主変換回路６２）と、を備えており、
一端側が、編成車両連結端子（例えば、図５の編成車両連結端子３４）に接続され、他端側が、前記編成車両の前記主変換回路への電力入力側に接続された編成車両連結用第１接触器（例えば、図５の第３接触器ＬＢ３）と、
抵抗器（例えば、図５の第４抵抗器Ｒ４）及び編成車両連結用第２接触器（例えば、図５の第４接触器ＬＢ４）の直列回路であって、一端側が、前記編成車両連結用第１接触器の一端側及び前記編成車両連結端子に接続され、他端側が、接地線に接続された直列回路と、
を備えた編成車両用電気連結回路である。

また、第１２の発明は、
第１１の発明の編成車両用電気連結回路を備えた編成車両（例えば、図２の編成車両２０）である。

第１１，第１２の発明によれば、編成車両用電気連結器を備えた編成車両を実現することができる。そして、この編成車両を電源車に連結し、編成車両用電気連結器を電源車の電源車用電気連結回路に連結することで、電源車から電力が供給されるようになる。

第１３の発明は、
第１の発明の電源車用電気連結回路と、第１１の発明の編成車両用電気連結回路とを連結する際の制御方法であって、
前記電源車連結端子と前記編成車両連結端子との連結を行う連結工程の前に、前記電源車連結用第１接触器及び前記編成車両連結用第１接触器を開放とし、前記電源車連結用第２接触器及び前記編成車両連結用第２接触器を投入とする連結前ステップ（例えば、図７のステップＢ１〜Ｂ３）と、
前記連結工程の後に、前記電源車連結用第２接触器及び前記編成車両連結用第２接触器の開放を行った後に、前記編成車両連結用第１接触器の投入を行う導通前ステップ（例えば、図７のステップＢ９〜Ｂ１３）と、
前記導通前ステップの後に、前記電源車連結用第１接触器の投入を行う導通ステップ（例えば、図７のステップＢ１７）と、
を含む制御方法である。

第１３の発明によれば、電源車用電気連結回路と、編成車両用電気連結回路との連結を行う作業員の安全を確保できる。すなわち、電源車用電気連結回路と編成車両用電気連結回路との間で連結端子を連結する連結工程の前に、電源車連結用第１接触器および編成車両連結用第１接触器の開放と、電源車連結用第２接触器および編成車両連結用第２接触器の投入とを行うことで、接地、抵抗器および電源車連結用第２接触器の直列回路、電源車連結端子、編成車両連結端子、抵抗器および編成車両連結用第２接触器の直列回路、による閉回路が構成される。これにより、もし仮に、残存していた電荷或いは何らかの原因で誘起された電荷によって連結工程中に連結端子に電流が流れ得る場合があったとしても、閉回路中の抵抗器によってその電荷が消費されるため、作業員の安全を確保することができる。

第１４の発明は、
第１の発明の電源車用電気連結回路と、第１１の発明の編成車両用電気連結回路との連結を解放する際の制御方法であって、
前記電源車連結端子と前記編成車両連結端子との連結の解放を行う連結解放工程の前に、
前記編成車両連結用第１接触器の開放を行った後に、前記電源車連結用第１接触器の開放を行う導通遮断ステップ（例えば、図１３のステップＨ１〜Ｈ３）と、
前記導通遮断ステップの後に、前記電源車連結用第２接触器及び前記編成車両連結用第２接触器の投入を行う接地接続ステップ（例えば、図１３のステップＨ５〜Ｈ７）と、
を行う制御方法である。

第１４の発明によれば、電源車用電気連結回路と、編成車両用電気連結回路との連結解放を行う作業員の安全を確保できる。すなわち、電源車用電気連結回路と編成車両用電気連結回路との間で連結されている連結端子を解放する連結解放工程の前に、編成車両連結用第１接触器および電源車連結用第１接触器の開放と、電源車連結用第２接触器および編成車両連結用第２接触器の投入とを行うことで、接地、抵抗器および電源車連結用第２接触器の直列回路、電源車連結端子、編成車両連結端子、抵抗器および編成車両連結用第２接触器の直列回路、による閉回路が構成される。これにより、もし仮に、残存していた電荷或いは何らかの原因で誘起された電荷によって連結解放工程中に連結端子に電流が流れ得る場合があったとしても、閉回路中の抵抗器によってその電荷が消費されるため、作業員の安全を確保することができる。

編成車両への電源車の連結及び解放の概要図。 電源車と編成車両との電気回路の接続構成図。 電源車の電気回路の構成図。 開閉装置およびＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成例。 編成車両の電気回路の構成図。 編成車両に電源車を連結する際の制御手順。 連結処理の制御手順。 架線モードから蓄電池モードへの切り替え制御手順。 蓄電池モードから第三軌条モードへの切り替え制御手順。 編成車両から電源車を連結解放する際の制御手順。 第三軌条モードから蓄電池モードへの切り替え制御手順。 蓄電池モードから架線モードへの切り替え制御手順。 連結解放処理の制御手順。 他の電源システムの構成図。

以下、図面を参照して本発明を適用した一実施形態を説明するが、本発明を適用可能な形態は以下の実施形態に限られるものではない。

［概要］
図１は、本実施形態の概要図である。図１に示すように、本実施形態は、編成車両２０に電源車１０を連結し、電源車１０の供給電力によって非架線区間を走行するものである。非架線区間とは、電気車への電力供給方式が架線（架空式電車線路）による架線式以外の区間であり、非電化区間を含む。架線式以外の電力供給方式としては、例えば、第三軌条式といった接触給電方式であっても良いし、非接触給電方式であっても良い。非架線区間に対して、電気車への電力供給方式が架線式である区間を架線区間と呼ぶ。

電源車１０および編成車両２０は、ともに主電動機を備えて自走可能な電気車である。また、電源車１０および編成車両２０は、ともにパンタグラフを備えており、架線区間においてはパンタグラフで集電した架線電力をもとに走行可能である。

電源車１０は、架線式を含む複数の電源システムを備えており、非架線区間において、自車が備える電源システムによる電力を、連結した編成車両２０に供給する目的で用いられる。電源車１０が備える電源システムとしては、電化区間を想定して電車線路から集電する集電システムと、非電化区間を想定した内部電源システムと、に大別される。本実施形態では、電源車１０は、集電システムとして、架線式での集電器であるパンタグラフおよび第三軌条式での集電器である集電靴、を備えるとともに、内部電源システムとして蓄電部を搭載する。蓄電部は、例えば、架線区間の駅構内に設けられた充電施設でパンタグラフにより集電した架線電力によって充電することができる。そして、電源車１０は、電源システムに応じた電源モードに切り替えて走行することができる。本実施形態では、パンタグラフにより架線から集電した架線電力をもとに走行する架線モードと、蓄電部の蓄電電力をもとに走行する蓄電池モードと、集電靴により第三軌条から集電した第三軌条電力をもとに走行する第三軌条モードと、に切り替え可能であるとして説明する。

編成車両２０は、連結された電源車１０の電源モードに合わせた電源モードに切り替え、電源車１０から供給される電力をもとに走行することができる。また、編成車両２０は、電源車１０が連結されてない単独の状態では、架線モードでのみ走行可能である。なお、図面および以下の説明では、電源車１０が連結されていない状態の編成車両２０は１両編成の列車であるかのように図示および説明するが、複数の編成車両２０が連結されて編成された列車であってもよい。

［電源車の連結・解放］
編成車両２０に対する電源車１０の連結および解放は、次のように行われる。先ず、図１の左側に示すように、架線区間を走行してきた編成車両２０が非架線区間に乗り入れる際に、架線区間と非架線区間との結節駅Ａにおいて、編成車両２０に電源車１０を連結する。編成車両２０および電源車１０は、架線モードから、乗り入れる非架線区間に応じた電源モード（本実施形態では、非電化区間ならば蓄電池モード、第三軌条の区間ならば第三軌条モード、である）に切り替える。そして、編成車両２０および電源車１０からなる列車として結節駅Ａを出発して、非架線区間を走行することになる。

その後、図１の右側に示すように、非架線区間を走行してきた編成車両２０が架線区間に乗り入れる際には、非架線区間と架線区間との結節駅Ｂにおいて、編成車両２０に連結されていた電源車１０を解放する。編成車両２０は、走行してきた非架線区間に応じた電源モード（本実施形態では、蓄電池モード或いは第三軌条モード）から架線モードに切り替え、編成車両２０のみからなる列車として結節駅Ｂを出発して架線区間を走行することになる。解放された電源車１０も同様に、駅構内の待避線まで走行して待機する、或いは、走行してきた非架線区間に応じた電源モードから架線モードに切り替え、駅構内に設けられた充電施設で蓄電部が充電されることになる。

［構成］
図２は、電源車１０及び編成車両２０の電気回路の接続構成図である。図２では、編成車両２０の進行方向後方に電源車１０が連結された状態を示しているが、編成車両２０の進行方向前方に電源車１０を連結することもできる。

電源車１０および編成車両２０は、ともに直流電気車であり、主電動機Ｍを含む主回路４０，６０を備えている。また、電源車１０および編成車両２０には、車両間で電力を融通するための引通し線３０が引通されている。この引通し線３０は、車両間で連結・解放が可能に構成されており、各車両の両端部それぞれにおいて引通し線３０を電気的に連結するための連結端子が設けられている。すなわち、電源車１０の前端部および後端部それぞれにおいて、電源車連結端子３２が設けられ、編成車両２０の前端部および後端部それぞれにおいて、編成車両連結端子３４が設けられている。そして、電源車連結端子３２と編成車両連結端子３４とを連結することで、電源車１０と編成車両２０との間の引通し線３０が電気的に連結される。また、複数の編成車両２０を連結する場合には、編成車両２０の編成車両連結端子３４同士を連結することで、連結した複数の編成車両２０において引通し線３０が連結される。

本実施形態の特徴の１つとして、電源車１０と編成車両２０との間で引通し線３０を安全に連結・解放するための電気連結回路が設けられている。すなわち、電源車１０には電源車用電気連結回路１２が設けられ、編成車両２０には編成車両用電気連結回路２２が設けられている。

図３は、電源車１０の駆動に係る主要な電気回路の構成図である。図３に示すように、電源車１０は、パンタグラフ１４と、主回路４０と、電源車用電気連結回路１２と、制御部ＣＴＲ１とを備える。

制御部ＣＴＲ１は、パンタグラフ１４の昇降動作の制御の他、主回路４０に係る各種機器および電源車用電気連結回路１２に制御信号を出力して各機器を統括的に制御するコントローラであり、独立した制御装置として構成してもよいし、制御ボードとして構成して既存の装置に組み込んで実現することもできる。制御部ＣＴＲ１は、本実施形態の特徴の１つである電源車１０と編成車両２０との連結・解放に係る電源車１０側の制御を実施するが、その詳細は図面を参照して後述する。

パンタグラフ１４は、電車線路である架線から集電するための集電器であり、制御部ＣＴＲ１からの制御信号Ｐに従って、上昇して架線に接触して集電が可能な集電状態、および、下降して架線から離れて集電が不可能な非集電状態に遷移可能である。また、パンタグラフ１４は、主開閉装置ＳＷＭを介して直流電力ラインに接続されているとともに、直接に引通し線３０に接続されている。集電状態にあるパンタグラフ１４により集電された架線電力は、直流電力ラインおよび引通し線３０に供給される。

主回路４０は、パンタグラフ１４により集電された架線電力が主開閉装置ＳＷＭを介して供給される直流電力ラインに、主電動機に係る駆動系統４１と、補機回路４３と、蓄電部ＢＴと、集電靴４４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５と、が接続されて構成される。

主開閉装置ＳＷＭは、制御部ＣＴＲ１からの制御信号ＷＭに従って、パンタグラフ１４と直流電力ラインとの切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば高速度遮断器によって構成することができる。本実施形態では、主回路４０の起動後は、主開閉装置ＳＷＭを常時“投入状態”とし、後述する電源モードの切り替えは、この主開閉装置ＳＷＭを“投入状態”として行われる。

駆動系統４１は、図３では２系統としているが、１系統のみとしても良いし、３系統以上を並列に備える構成としても良い。また、１台の主変換回路４２で１台の主電動機Ｍに駆動電力を供給する、いわゆる１Ｃ１Ｍとしているが、これに限らず、１台の主変換回路４２で２台以上の主電動機Ｍに駆動電力を供給する、いわゆる１Ｃ２Ｍや１Ｃ４Ｍ等であってもよい。

駆動系統４１は、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢと、主フィルタリアクトルＦＬと、主変換回路４２と、主電動機Ｍとが直列に接続された構成を有する。主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢは、制御部ＣＴＲ１からの制御信号ＷＡ，ＷＢに従って、直流電力ラインと主変換回路４２との切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。第１〜第３開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを接触器等を用いて構成する場合、例えば図４（ａ）に示すように、充電抵抗ＣＤＲと充電抵抗用接触器ＭＫとの直列接続に、充電抵抗バイパス用接触器ＬＢを並列に接続した構成を採用することができる。図４（ａ）の構成を採用する場合、投入時に、先に充電抵抗用接触器ＭＫを投入状態とした後に、充電抵抗バイパス用接触器ＬＢを後から投入する。これにより、投入時の主変換回路ＴＣＡ，ＴＣＢ内の主フィルタコンデンサへの突流を充電抵抗ＣＤＲによって防止することができる。また、図４（ａ）の回路の前段に高速度遮断器ＨＢを更に直列に接続した回路構成を採用することもできる。主変換回路４２は、例えばＶＶＶＦインバータであり、直流電力ラインに供給されている直流電力を三相交流電力に変換して主電動機Ｍに駆動電力として供給する。

補機回路４３は、車内照明や空調などの補機および補機に電力を供給する回路（例えば、静止形インバータ）等を含む電気回路である。

蓄電部ＢＴは、第２の電源システムであり、第１開閉装置ＳＷ１を介して直流電力ラインに接続されているとともに、第３開閉装置ＳＷ３を介してＤＣ／ＤＣコンバータ４５の二次側に接続されている。蓄電部ＢＴ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や、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）、鉛蓄電池、リチウムイオンキャパシタ、スーパーキャパシタ等によって実現することができる。また、不図示であるが、蓄電部ＢＴには電圧センサが並列接続されており、この電圧センサの計測値は、随時、制御部ＣＴＲ１へ出力される。これにより、制御部ＣＴＲ１は、蓄電部ＢＴの電圧（充電電圧或いは放電電圧）を、随時、把握することができる。また、蓄電部ＢＴの容量は任意に設計することができるが、例えば、連結された編成車両２０が数百キロメートル程度の距離を走行するのに充分な容量に設計することが望ましい。

第１開閉装置ＳＷ１は、制御部ＣＴＲ１からの制御信号Ｗ１に従って、直流電力ラインと蓄電部ＢＴとの切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。第３開閉装置ＳＷ３は、制御部ＣＴＲ１からの制御信号Ｗ３に従って、蓄電部ＢＴとＤＣ／ＤＣコンバータ４５の二次側との切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。

集電靴４４は、架線とは異なる第２の電車線路である第三軌条（サードレール）から集電するための集電器である。集電靴４４は、第４開閉装置ＳＷ４を介して、直流電力ラインに接続されている。第４開閉装置ＳＷ４は、制御部ＣＴＲ１からの制御信号Ｗ４に従って、集電靴４４と直流電力ラインとの切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。この集電靴４４および第４開閉装置ＳＷ４によって第３の電源システムを形成し、制御部ＣＴＲ１は、第４開閉装置ＳＷ４の開閉動作を制御することで、集電靴４４による集電電力を直流電力ラインに供給するか否かを制御することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、一次側と二次側との間の双方向の電圧変換が可能な電圧変換回路であり、一次側が第２開閉装置ＳＷ２を介して直流電力ラインに接続され、二次側が第３開閉装置ＳＷ３を介して蓄電部ＢＴに接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、制御部ＣＴＲ１からの制御信号Ｅに従って、一次側の電力を所与の電圧の直流電力に変換して二次側に出力する、或いは、二次側の電力を所与の電圧の直流電力に変換して一次側に出力するといった、一次側と二次側との間の双方向の電圧変換動作を行う。

図４（ｂ）に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の回路構成の一例を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、中間コンデンサＦＣＨを挟んで、一次側（左側）の回路と二次側（右側）の回路とを縦続接続して構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の一次側および二次側には電圧センサおよび電流センサ（不図示である）が設けられており、これらのセンサの計測値は、随時、制御部ＣＴＲ１へ出力される。これにより、制御部ＣＴＲ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の一次側および二次側の電圧および電流を随時把握することができ、これに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作制御を行うことができる。

第２開閉装置ＳＷ２は、制御部ＣＴＲ１からの制御信号Ｗ２に従って、直流電力ラインと、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の一次側との切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いた図４（ａ）の回路構成とすることができる。

また、主回路４０には、直流電力ラインに流れる電流を計測する電流センサＣＴが設けられている。電流センサＣＴは、直流電力ラインにおける第４開閉装置ＳＷ４の接続箇所と補機回路４３の接続箇所との間に、パンタグラフ１４側から蓄電部ＢＴ側に向かう方向を正方向として流れる電流の大きさおよび向きを検知するように設けられており、検知した電流を検知電流Ｉ０として制御部ＣＴＲ１に出力する。電流センサＣＴは、例えば変流器（ＣＴ:Current Transformer）によって実現することができる。制御部ＣＴＲ１は、電源モードの切り替え制御の際に、この検知電流Ｉ０を参照してＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を制御することができる。

電源車用電気連結回路１２は、第１接触器ＬＢ１と、第２接触器ＬＢ２と、第２抵抗器Ｒ２と、を有して構成される。第１接触器ＬＢ１は、一端側が引通し線３０に接続され、他端側が電源車連結端子３２に接続されている。第２接触器ＬＢ２および第２抵抗器Ｒ２は直列接続されて直列回路を形成し、一端側（第２抵抗器Ｒ２側）が電源車連結端子３２および第１接触器ＬＢ１の他端側に接続され、他端側（第２接触器ＬＢ２側）が接地線に接続されている。接地線は、電源車１０内に配線されており、車輪を通じてレールと電気的に接続されている。

図５は、編成車両２０の駆動に係る主要な電気回路の構成図である。図５に示すように、編成車両２０は、パンタグラフ２４と、主回路６０と、編成車両用電気連結回路２２と、制御部ＣＴＲ２とを備える。

制御部ＣＴＲ２は、パンタグラフ２４の昇降動作の制御の他、主回路６０に係る各種機器および編成車両用電気連結回路２２に制御信号を出力して各機器を統括的に制御するコントローラであり、独立した制御装置として構成してもよいし、制御ボードとして構成して既存の装置に組み込んで実現することもできる。制御部ＣＴＲ２は、本実施形態の特徴の１つである電源車１０と編成車両２０との連結・解放に係る編成車両２０側の制御を実施するが、その詳細は図面を参照して後述する。

パンタグラフ２４は、電車線路である架線から集電するための集電器であり、制御部ＣＴＲ２からの制御信号に従って、上昇して架線に接触して集電が可能な集電状態、および、下降して架線から離れて集電が不可能な非集電状態に遷移可能である。また、パンタグラフ２４は、主開閉装置ＳＷＭを介して直流電力ラインに接続されているとともに、直接に引通し線３０に接続されている。

主回路６０は、主開閉装置ＳＷＭと、駆動系統６１と、補機回路６３と、を備える。

主開閉装置ＳＷＭは、制御部ＣＴＲ２からの制御信号ＷＭに従って、パンタグラフ２４と直流電力ラインとの切り離し／接続を行う開閉装置であり、例えば接触器を用いて構成することができる。本実施形態では、主回路６０の起動後は、主開閉装置ＳＷＭを常時“投入状態”とし、後述する電源モードの切り替えは、この主開閉装置ＳＷＭを“投入状態”として行われる。

駆動系統６１は、電源車１０の駆動系統４１と同様に、主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢと、主フィルタリアクトルＦＬと、主変換回路６２と、主電動機Ｍと、が直列に接続された構成を有し、パンタグラフ２４により集電された架線電力が主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢを介して供給される直流電力ラインに接続される。主開閉装置ＳＷＡ，ＳＷＢは、例えば接触器を用いた図４（ａ）の回路構成とすることができる。主変換回路６２は、直流電力ラインに供給されている直流電力を三相交流電力に変換して主電動機Ｍに駆動電力として供給する。

なお、補機回路６３は、図５ではパンタグラフ２４に直接に接続されるようにしているが、直流電力ラインに接続されるように構成しても良い。

編成車両用電気連結回路２２は、第３接触器ＬＢ３と、第４接触器ＬＢ４と、第４抵抗器Ｒ４とを有して構成される。第３接触器ＬＢ３は、一端側が編成車両連結端子３４に接続され、他端側が引通し線３０に接続されている。編成車両２０では、引通し線３０は主開閉装置ＳＷＭを介して直流電力ラインに接続されており、直流電力ラインに接続された駆動系統６１は、直流電力ラインに供給されている直流電力を変換する主変換回路６２を有することから、第３接触器ＬＢ３の他端側は、主変換回路６２への電力入力側に接続されているともいえる。第４接触器ＬＢ４および第４抵抗器Ｒ４は直列接続されて直列回路を形成し、一端側（第４抵抗器Ｒ４側）が編成車両連結端子３４および第３接触器ＬＢ３の一端側に接続され、他端側（第４接触器ＬＢ４側）が接地線に接続されている。接地線は、編成車両２０内に配線されており、車輪を通じてレールと電気的に接続されている。

なお、電源車１０と編成車両２０との連結の際には、電力供給のための引通し線３０の連結に加えて、制御引通し線も連結されることで、制御部ＣＴＲ１，ＣＴＲ２の間で情報の送受信が可能となる。但し、制御引通し線およびその連結端子については、繁雑となるため図面に示していない。

［電気連結回路の制御手順］
次に、図６〜図１３を参照して、電源車１０と編成車両２０との連結・解放に係る制御部ＣＴＲ１，ＣＴＲ２の制御動作を説明する。具体的には、図１に示したように、架線区間を走行してきた編成車両２０が結節駅Ａにおいて電源車１０を連結し、非架線区間である第三軌条区間に乗り入れて走行する場合（図６参照）、および、電源車１０を連結して非架線区間である第三軌条区間を走行してきた編成車両２０が結節駅Ｂにおいて電源車１０を解放し、架線区間に乗り入れて走行する場合（図１０参照）、のそれぞれについて説明する。

（Ａ）編成車両２０に電源車１０を連結
図６は、架線区間と第三軌条区間との結節駅において、編成車両に電源車を連結する際の制御手順の概要である。前提として、電源車１０および編成車両２０は、互いに接近して停車しており、連結可能な状態にあるとする。また、電源車１０および編成車両２０は、ともに第１のモードである架線モードであるとする（ステップＡ１）。つまり、電源車１０においては、架線モードであるからパンタグラフ１４は上昇しており、補機回路４３にはパンタグラフ１４による架線電力が供給されて補機類は動作可能或いは動作中である。また、電源車用電気連結回路１２の第１接触器ＬＢ１が開放され、第２接触器ＬＢ２が投入されている。編成車両２０においては、架線モードであるからパンタグラフ２４は上昇しており、補機回路６３には、パンタグラフ２４による架線電力が供給されて補機類は動作可能或いは動作中である。また、編成車両用電気連結回路２２の第３接触器ＬＢ３が開放され、第４接触器ＬＢ４が投入されている。

この状態において、先ず、連結処理を行う（ステップＡ３）。図７は、連結処理の制御手順である。左側に電源車１０における処理を示し、右側に編成車両２０における処理を示している。

連結処理では、先ず、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１が、第１接触器ＬＢ１を開放し、第２接触器ＬＢ２を投入する（ステップＢ１）。また、編成車両２０において、制御部ＣＴＲ２が、第３接触器ＬＢ３を開放し、第４接触器ＬＢ４を投入する（ステップＢ３）。このステップＢ１〜Ｂ３が連結前ステップである。

その後、電源車１０と編成車両２０との連結作業が作業員によって行われる（ステップＢ５，Ｂ７）。この連結作業には、電源車連結端子３２と編成車両連結端子３４とを連結することによる引通し線３０の連結のほか、機械連結器の連結や、空気ホースの連結、制御引通し線の連結といった連結作業も含む。このとき、もし仮に、残存していた電荷或いは何らかの原因で誘起された電荷によって連結端子３２．３４に電流が流れ得る場合があったとしても、接地→第２接触器ＬＢ２→第２抵抗器Ｒ２→電源車連結端子３２→編成車両連結端子３４→第４抵抗器Ｒ４→第４接触器ＬＢ４→接地、の閉回路が形成されており、更に、この閉回路中の抵抗器Ｒ２，Ｒ４で電荷が消費されるので、作業員の安全が確保される。このステップＢ５〜Ｂ７が連結工程である。

連結作業が終了すると、制御引通し線が連結されることで、制御部ＣＴＲ１，ＣＴＲ２の間で送受信が可能となり、制御部ＣＴＲ１，ＣＴＲ２の間で互いの制御手順の進行を確認しながら制御を進めていくことができる。

続いて、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１が、第２接触器ＬＢ２を開放する（ステップＢ９）。また、編成車両２０において、制御部ＣＴＲ２が、第４接触器ＬＢ４を開放した後（ステップＢ１１）、第３接触器ＬＢ３を投入する（ステップＢ１３）。このステップＢ９〜Ｂ１３が導通前ステップである。

その後、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１が、編成車両２０における引通し線３０の電圧Ｖｅｍｕと、電源車１０におけるパンタ点電圧Ｖｐとが等しいことを確認した後（ステップＢ１５）、第１接触器ＬＢ１を投入する（ステップＢ１７）。このステップＢ１５〜Ｂ１７が導通ステップである。

この連結処理により、電源車１０の引通し線３０と編成車両２０の引通し線３０とが導通し、電源車１０の引通し線３０に供給されている架線電力が編成車両２０にも供給される。つまり、編成車両２０においては、パンタグラフ２４により集電した架線電力と、引通し線３０を介した電源車１０からの供給電力と、が並列に給電されることになり、その電圧は、ともにパンタ点電圧で等しい。

連結処理が終了すると、続いて、第１のモードである架線モードから、第２のモードである蓄電池モードへの切り替え処理を行う（図６のステップＡ５）。図８は、架線モードから蓄電池モードへの切り替えの制御手順である。左側に電源車１０における処理を示し、右側に編成車両２０における処理を示している。初期状態として、架線モードであるので、電源車１０においては、第１開閉装置ＳＷ１、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３の全てが開放された状態にある。

先ず、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１が、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＣ１）。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の一次側およびＤＣ／ＤＣコンバータ４５の中間コンデンサＦＣＨにパンタ点電圧が印加される。次いで、制御部ＣＴＲ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を開始させ、パンタ点電圧Ｖｐよりも蓄電電圧Ｖｂａｔが高い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の中間コンデンサＦＣＨの電圧が蓄電電圧Ｖｂａｔとなるように、蓄電部ＢＴ（第２の電源システム）の供給電力に基づく均圧制御を行わせる（ステップＣ３）。続いて、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＣ５）。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の二次側に蓄電電圧Ｖｂａｔが直接印加される。

続いて、制御部ＣＴＲ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を変更し、既にパンタ点電圧Ｖｐが印加されている一次側がパンタ点電圧Ｖｐを維持しつつ、一次側に二次側の蓄電部ＢＴからの電力を供給できるように、蓄電部ＢＴ（第２の電源システム）の供給電力に基づく均圧制御を行わせる（ステップＣ７）。これにより、直流電力ラインに並列に供給される架線電力および蓄電部ＢＴの放電電力の電圧が、ともにパンタ点電圧Ｖｐとなる。

その後、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１は、パンタグラフ１４を降下させる（ステップＣ９）。この電源車１０におけるパンタグラフ１４の降下の際には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の通流率を制御することで、直流電力ラインとパンタグラフ１４との間で流れる電流Ｉ０をゼロとするような無電流制御を行う。電流Ｉ０は、電流センサＣＴによって計測することができる。第３開閉装置ＳＷ３の投入により、蓄電部ＢＴの放電電力が直流電力ラインへ供給された状態となり、その供給電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ４５の均圧動作によってパンタ点電圧Ｖｐに制御されているが、実際のパンタ点電圧Ｖｐと多少は異なるため、パンタグラフ１４と架線とが離れる際に、直流電力ラインへの過渡的な架線電流の流出／流入が発生する可能性がある。このため、無電流制御によって、この過渡電流を抑制させるように制御するのである。これにより、電源車１０においては、パンタグラフ１４から直流電力ラインへの電力供給が遮断され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を経由した蓄電部ＢＴの放電電力（パンタ点電圧Ｖｐ）のみが直流電力ラインへ供給される状態となる。

また、編成車両２０においても同様に、制御部ＣＴＲ２は、パンタグラフ２４を降下させる（ステップＣ１１）。これにより、編成車両２０においても同様に、パンタグラフ２４から直流電力ラインへの電力供給が遮断され、引通し線３０を介した電源車１０からの供給電力のみが、直流電力ラインへ供給される状態となる。この電源車１０からの供給電力は、電源車１０の直流電力ラインに供給されている電力であるから、その供給電圧はパンタ点電圧Ｖｐである。

続いて、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を変更し、一次側が蓄電電圧Ｖｂａｔとなるように均圧制御を行わせる（ステップＣ１３）。そして、第１開閉装置ＳＷ１を投入し（ステップＣ１５）。ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を停止させた後（ステップＣ１７）、第２開閉装置ＳＷ２を開放する（ステップＣ１９）。これにより、電源車１０において、蓄電部ＢＴから直流電力ラインへの電力経路が、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を経由した経路から、経由しない経路（第１開閉装置ＳＷ１を経由する経路）に切り替わる。

以上の処理により、電源車１０においてはパンタグラフ１４が、編成車両２０においてはパンタグラフ２４が、それぞれ降下しており、蓄電部ＢＴからの放電電力（蓄電電圧Ｖｂａｔ）のみが直流電力ラインに供給されている蓄電池モードに切り替えることができる。また、常時、補機回路４３，６３へは電力供給がなされているため、補機類は動作可能或いは動作中の状態が継続されている。

続いて、第２のモードである蓄電池モードから、第３のモードである第三軌条モードへの切り替え処理を行う（図６のステップＡ７）。図９は、蓄電池モードから第三軌条モードへの切り替えの制御手順である。この切り替えでは、編成車両２０にてなされる処理はないため、電源車１０における処理のみを示している。初期状態として、蓄電池モードであるので、電源車１０においては、主開閉装置ＳＷＭおよび第１開閉装置ＳＷ１が投入され、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３の少なくとも一方が開放された状態にある。

先ず、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１は、第２開閉装置ＳＷ２を投入した後、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＤ１）。その後、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を開始させ、既に蓄電電圧Ｖｂａｔが印加されている一次側が蓄電電圧Ｖｂａｔを維持しつつ、一次側に二次側の蓄電部ＢＴからの電力を供給できるように、蓄電部ＢＴ（第２の電源システム）の供給電力に基づく均圧動作を行わせる（ステップＤ３）。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の一次側および二次側に蓄電電圧Ｖｂａｔが印加される。続いて、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＤ５）。これにより、蓄電部ＢＴから直流電力ラインへの電力経路が、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を経由する経路のみとなる。

次いで、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を開始させ、一次側が第三軌条に接触する集電靴電圧Ｖｔとなるように均圧動作を行わせる（ステップＤ７）。また、この均圧動作とともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の通流率を制御することで、蓄電部と集電靴との間の直流電力ライン部分に流れる電流Ｉ０をゼロとするようなゼロ電流制御を行う。電流Ｉ０は、電流センサＣＴによって計測することができる。

次いで、第４開閉装置ＳＷ４を投入する（ステップＤ９）。これにより、集電靴４４による第三軌条からの集電電力（集電靴電圧Ｖｔ）が、直流電力ラインに供給されるようになる。つまり、直流電力ラインへは、蓄電部ＢＴの放電電力と、集電靴４４による第三軌条からの集電電力とが並列に供給された状態となり、その供給電圧はともに集電靴電圧Ｖｔである。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させた後（ステップＤ１１）、第２開閉装置ＳＷ２を開放する（ステップＤ１３）。これにより、蓄電部ＢＴから直流電力ラインへの電力供給が停止される。

以上の処理により、電源車１０において、パンタグラフ１４が降下しており、集電靴４４による第三軌条からの集電電力（集電靴電圧Ｖｔ）のみが直流電力ラインに供給されている第三軌条モードに切り替えることができる。また、常時、補機回路４３，６３へは電力供給がなされているため、補機類は動作可能或いは動作中の状態が継続されている。

（Ｂ）編成車両２０から電源車１０を解放
図１０は、第三軌条区間と架線区間との結節駅において、編成車両２０から電源車１０を開放する際の制御手順の概要である。前提として、電源車１０が編成車両２０に連結されて停車しており、引通し線３０を介して電源車１０から編成車両２０への電力供給がなされている状態にあるとする。また、電源車１０および編成車両２０は、ともに第３のモードである第三軌条モードであるとする（ステップＥ１）。

つまり、電源車１０においては、第三軌条モードであるからパンタグラフ１４は降下しており、補機回路４３には、集電靴４４よる第三軌条からの集電電力が供給されて補機類は動作可能或いは動作中である。また、電源車用電気連結回路１２の第１接触器ＬＢ１が投入され、第２接触器ＬＢ２が開放されている。編成車両２０においては、第三軌条モードであるからパンタグラフ２４は降下しており、補機回路６３には、電源車１０から引通し線３０を介して電力が供給されて補機類は動作可能或いは動作中である。また、編成車両用電気連結回路２２の、第３接触器ＬＢ３が投入され、第４接触器ＬＢ４が開放されている。

この状態において、先ず、第三軌条モードから蓄電池モードへの切り替え処理を行う（ステップＥ３）。図１１は、第三軌条モードから蓄電池モードへの切り替えの制御手順である。この切り替えでは、編成車両２０にてなされる処理はないため、電源車１０における処理のみを示している。初期状態として、第三軌条モードであるので、電源車１０においては、主開閉装置ＳＷＭおよび第４開閉装置ＳＷ４が投入され、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３の少なくとも一方が開放された状態にある。

先ず、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１が、第２開閉装置ＳＷ２を投入する（ステップＦ１）。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の一次側に、直流電力ラインに供給されている集電靴電圧Ｖｔが印加される。次いで、集電靴電圧Ｖｔよりも蓄電電圧Ｖｂａｔが高い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を開始させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の中間コンデンサＦＣＨの電圧が蓄電電圧Ｖｂａｔとなるように、蓄電部ＢＴ（第２の電源システム）に基づく均圧制御を行わせる（ステップＦ３）。そして、第３開閉装置ＳＷ３を投入した後（ステップＦ５）、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を変更し、既に集電靴電圧Ｖｔが印加されている一次側が集電靴電圧Ｖｔを維持しつつ、一次側に二次側の蓄電部ＢＴからの電力を供給できるように、蓄電部ＢＴ（第２の電源システム）の供給電力に基づく均圧制御を行わせる（ステップＦ７）。これにより、集電靴４４による第三軌条からの集電電力と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を経由した蓄電部ＢＴの放電電力とが、直流電力ラインに並列に供給されることになり、その供給電圧は、ともに集電靴電圧Ｖｔである。

次に、第４開閉装置ＳＷ４を開放する（ステップＦ９）。これにより、電源車１０においては、集電靴４４による第三軌条からの集電電力の直流電力ラインへの電力供給が遮断され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を経由した蓄電部ＢＴの放電電力（集電靴電圧Ｖｔ）のみが直流電力ラインへ供給されることになる。

続いて、制御部ＣＴＲ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を変更し、一次側が蓄電電圧Ｖｂａｔとなるように均圧制御を行わせる（ステップＦ１１）。そして、第１開閉装置ＳＷ１を投入し（ステップＦ１３）、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を停止させた後（ステップＦ１５）、第２開閉装置ＳＷ２を開放する（ステップＦ１７）。これにより、電源車１０において、蓄電部ＢＴから直流電力ラインへの電力経路が、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を経由した経路から、経由しない経路（第１開閉装置ＳＷ１を経由する経路）に切り替わる。

以上の処理により、電源車１０において、パンタグラフ１４が降下しており、蓄電部ＢＴからの放電電力（蓄電電圧Ｖｂａｔ）のみが直流電力ラインに供給されている蓄電池モードに切り替えることができる。また、常時、補機回路４３，６３へは電力供給がなされているため、補機類は動作可能或いは動作中の状態が継続されている。

続いて、第２のモードである蓄電池モードから、第１のモードである架線モードへの切り替え処理を行う（ステップＥ５）。図１２は、蓄電池モードから架線モードへの切り替えの制御手順である。左側に電源車１０における処理を示し、右側に編成車両２０における処理を示している。初期状態として、蓄電池モードであるので、電源車１０においては、主開閉装置ＳＷＭおよび第１開閉装置ＳＷ１は投入され、第２開閉装置ＳＷ２および第３開閉装置ＳＷ３の少なくとも一方が開放された状態にある。

先ず、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１が、第２開閉装置ＳＷ２を投入し、その後、第３開閉装置ＳＷ３を投入する（ステップＧ１）。その後、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を開始させ、既に蓄電電圧Ｖｂａｔが印加されている一次側が蓄電電圧Ｖｂａｔを維持しつつ、一次側に二次側の蓄電部ＢＴからの電力を供給できるように、蓄電部ＢＴ（第２の電源システム）の供給電力に基づく均圧制御を行わせる（ステップＧ３）。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の一次側に、蓄電電圧Ｖｂａｔが印加される。次いで、第１開閉装置ＳＷ１を開放する（ステップＧ５）。これにより、蓄電部ＢＴから直流電力ラインへの電力経路が、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を経由する経路に切り替わる。続いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を開始させ、一次側がパンタ点電圧Ｖｐとなるように均圧制御を行わせる（ステップＧ７）。その結果、直流電力ラインへの供給電力の電圧はパンタ点電圧Ｖｐとなる。

その後、電源車１０において、パンタグラフ１４を上昇させる（ステップＧ９）。また、編成車両２０においても同様に、パンタグラフ２４を上昇させる（ステップＧ１１）。これにより、電源車１０においては、パンタグラフ１４による架線電力と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を経由した蓄電部ＢＴの放電電力とが並列して直流電力ラインへ供給された状態となり、その供給電圧はともにパンタ点電圧Ｖｐである。続いて、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１が、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５の動作を停止させた後（ステップＧ１３）、第２開閉装置ＳＷ２を開放する（ステップＧ１５）。これにより、蓄電部ＢＴから直流電力ラインへの電力供給が遮断される。

以上の処理により、電源車１０においてはパンタグラフ１４が、編成車両２０においてはパンタグラフ２４が、それぞれ上昇しており、パンタグラフ１４による架線電力およびパンタグラフ２４による架線電力（何れもパンタ点電圧Ｖｐ）が直流電力ラインに供給されている架線モードに切り替えることができる。また、常時、補機回路４３，６３へは電力供給がなされているため、補機類は動作可能或いは動作中の状態が継続されている。

続いて、連結解放処理を行う（ステップＥ７）。図１３は、連結解放処理の制御手順である。左側に電源車１０における処理を示し、右側に編成車両２０における処理を示している。

先ず、編成車両２０において、制御部ＣＴＲ２が、第３接触器ＬＢ３を開放する（ステップＨ１）。このとき、引通し線３０には、パンタグラフ１４，２４の両方から架線電圧Ｖｐが印加されており、第３接触器ＬＢ３の両端が同電位であることから、第３接触器ＬＢ３は無電流、或いはそれに近い微小電流による開放となる。次いで、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１が、第１接触器ＬＢ１を開放する（ステップＨ３）。この場合は無負荷のため、第１接触器ＬＢ１は無電流での開放となる。続いて、編成車両２０において、制御部ＣＴＲ２が、第４接触器ＬＢ４を投入する（ステップＨ５）。そして、電源車１０において、制御部ＣＴＲ１が、第２接触器ＬＢ２を投入する（ステップＨ７）。

その後、編成車両２０から電源車１０を解放する解放作業が作業員によって行われる（ステップＨ９，Ｈ１１）。この解放作業には、電源車連結端子３２と編成車両連結端子３４とを解放することによる引通し線３０の解放のほか、機械連結器の解放や、空気ホースの解放、制御引通し線の解放といった解放作業も含まれる。このとき、もし仮に、残存していた電荷或いは何らかの原因で誘起された電荷によって連結端子３２，３４に電流が流れる場合があったとしても、接地→第２接触器ＬＢ２→第２抵抗器Ｒ２→電源車連結端子３２→編成車両連結端子３４→第４抵抗器Ｒ４→第４接触器ＬＢ４→接地、の閉回路が形成されており、更に、この閉回路中の抵抗器Ｒ２，Ｒ４で電荷が消費されるので、作業員の安全が確保される。また、この解放作業によって制御引通し線も解放されることから、以降は、制御部ＣＴＲ１，ＣＴＲ２間の情報の送受信が不可能となる。

［作用効果］
このように、本実施形態によれば、電源車用電気連結回路１２を備えた電源車１０を、編成車両用電気連結回路２２を備えた編成車両２０に連結し、電源車用電気連結回路１２と編成車両用電気連結回路２２とを連結することで、電源車１０から編成車両２０に電力を供給することができるようになる。つまり、電源車１０は、電車線路である架線から集電器であるパンタグラフ１４によって集電した架線電力、第２の電源システムである蓄電部ＢＴの蓄電電力、第２の電車線路である第三軌条から第２の集電器である集電靴４４によって集電した電力、に基づいて主電動機Ｍを駆動して走行可能であるともに、この電力を、連結された編成車両２０に引通し線３０を介して供給することができる。従って、電車線路である架線から集電器であるパンタグラフ２４によって集電した架線電力に基づき主電動機Ｍを駆動する電気車である編成車両２０が、架線が設けられていない非架線区間を走行するに際して、編成車両２０に電源車１０を連結することで、編成車両２０は電源車１０からの供給電力をもとに走行することが可能となる。

また、電源車１０と編成車両２０との連結の際、電源車１０に設けられた電源車用電気連結回路１２と編成車両２０に設けられた編成車両用電気連結回路２２とを定められた手順で制御することで、電源車１０と編成車両２０との連結・解放を、作業員の安全を確保して行うことができる。

［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。

（Ａ）第２の電源システムおよび第３の電源システム
上述の実施形態では、電源車１０は、第２の電源システムとして蓄電部ＢＴを、第３の電源システムとして第三軌条式の集電靴４４を、備えることとしたが、これ以外の電源システムとしても良い。

例えば、実施形態とは逆に、第２の電源システムを集電靴４４とし、第３の電源システムを蓄電部ＢＴとしても良い。

或いは、図１４（ａ）に示すように、交流電化区間においてパンタグラフ１４によって集電した交流の架線電力を、直流電力に変換して直流電力ラインに供給するような電源システムを第２の電源システムまたは第３の電源システムとしても良い。この電源システムは、真空遮断器５１と、変圧器５２と、ＰＷＭ整流器５３とを備える。

或いは、図１４（ｂ）に示すように、非接触給電方式の電源システムを第２の電源システムまたは第３の電源システムとしてもよい。非接触給電方式には、電磁誘導式や電磁界共鳴式などがある。この電源システムは、例えば地上側の設備として、駅や電源車１０の留置場に給電コイルが設置されたり、非架線区間の沿線に連続的或いは断続的に給電コイルが設置されている場合に、電源車１０側に、この設置された給電コイルから集電するための受電コイル５５と、高速度遮断器５６と、共振コンデンサ５７と、ＰＷＭ整流器５８とを備えて構成される。例えば、第２の電源システムを蓄電部ＢＴとし、非接触給電方式の電源システムを第３の電源システムとして、給電コイルが駅や電源車１０の留置場に設置されている場合には、電源車１０が駅や留置場に停車中に第３の電源システムを通じて第２の電源システムの蓄電部ＢＴを充電し、走行中は第２の電源システムで走行する、といった形態を採用することができる。

或いは、図１４（ｃ）に示すように、蓄電部ＢＴの置き換えとして、超電導磁気エネルギー貯蔵装置ＳＭＥＳ（Superconducting Magnetic Energy Storage）を用いてもよい。この電源システムは、超電導コイル７１と、高速度遮断器７２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７３を備えて構成される。また、この電源システムは、例えば、蓄電部ＢＴに並列接続して第２の蓄電部として用いることもできる。

また、第３の電源システムを備えず、第２の電源システムのみを備えるようにしても良いし、更に上述した各種の電源システムを第４の電源システムとして備えるようにしても良い。

（Ｂ）集電器
上述の実施形態では、編成車両２０は、電力供給方式として架線式に対応する電気車であり、電車線路である架線から集電するための集電器であるパンタグラフ２４を備えることとしたが、例えば第三軌条式といった他の電力供給方式に対応する電気車としても良い、この場合、電源車１０も、編成車両２０と共通の電車線路から集電する電力供給方式に対応している必要がある。

例えば、第三軌条式に対応する電気車とした場合、編成車両２０は、パンタグラフ２４に替えて、第三軌条から集電するための集電靴を集電器として備えて構成される。そして、電源車１０も、パンタグラフ１４に替えて集電靴を集電器として備えて構成される。この場合、電源車１０は、第２の電源システムおよび第３の電源システムとして、蓄電部やパンタグラフを備えるようにすればよい。

１０…電源車
１２…電源車用電気連結回路
ＬＢ１…第１接触器、ＬＢ２…第２接触器、Ｒ２…第２抵抗器
１４…パンタグラフ
４０…主回路
ＳＷＭ…主開閉装置
４１…駆動系統、
ＳＷＡ，ＳＷＢ…主開閉装置、４２…主変換回路、Ｍ…主電動機
４３…補機回路
４４…集電靴
４５…ＤＣ／ＤＣコンバータ
ＳＷ１…第１開閉装置、ＳＷ２…第２開閉装置
ＳＷ３…第３開閉装置、ＳＷ４…第４開閉装置
ＢＴ…蓄電池、
ＣＴＲ１…制御部
２０…編成車両
２２…編成車両用電気連結回路
ＬＢ３…第３接触器、ＬＢ４…第４接触器、Ｒ４…第４抵抗器
２４…パンタグラフ
６０…主回路
ＳＷＭ…主開閉装置
６１…駆動系統
ＳＷＡ，ＳＷＢ…主開閉装置、６２…主変換回路、Ｍ…主電動機
６３…補機回路
ＣＴＲ２…制御部
３０…引通し線
３２…電源車連結端子、３４…編成車両連結端子

Claims (14)

1. 一端側が、引通し線に接続され、他端側が、電源車連結端子に接続された電源車連結用第１接触器と、
   抵抗器及び電源車連結用第２接触器の直列回路であって、一端側が、前記電源車連結用第１接触器の他端側及び前記電源車連結端子に接続され、他端側が、接地線に接続された直列回路と、
   を備えた電源車用電気連結回路。
2. 請求項１に記載の電源車用電気連結回路を備えた電源車。
3. 請求項１に記載の電源車用電気連結回路と、
   主電動機と、
   主開閉装置を介して前記引通し線に接続された直流電力ラインに接続され、前記直流電力ラインに供給される電力に基づいて前記主電動機に駆動電力を供給する主変換回路と、
   前記直流電力ラインに接続された補機類に係る補機回路と、
   前記引通し線に供給される電力を電車線路から集電するための集電器と、
   第２の電源システムと、
   一端側が前記第２の電源システムに接続され、他端側が前記直流電力ラインに接続された第１開閉装置と、
   一次側と二次側との間の双方向の電圧変換が可能な電圧変換回路と、
   一端側が前記直流電力ラインに接続され、他端側が前記電圧変換回路の一次側に接続された第２開閉装置と、
   一端側が前記第２の電源システムに接続され、他端側が前記電圧変換回路の二次側に接続された第３開閉装置と、
   前記主開閉装置、前記第１開閉装置、前記第２開閉装置及び前記第３開閉装置の投入／開放と、前記電圧変換回路の動作とを制御することで、前記電車線路から集電される電力をもとに走行する第１のモードと、前記第２の電源システムから供給される電力をもとに走行する第２のモードとを切り替える制御部と、
   を備えた電源車。
4. 前記第２の電源システムは、蓄電部である、
   請求項３に記載の電源車。
5. 前記第２の電源システムは、前記電車線路とは異なる第２の電車線路から電力を集電する第２の集電器を有する、
   請求項３に記載の電源車。
6. 直流電力を前記直流電力ラインに供給するか否かを前記制御部により制御可能な第３の電源システム、
   を更に備え、
   前記制御部は、更に、前記第３の電源システムによる前記直流電力ラインへの直流電力の供給を制御することで、前記第３の電源システムから供給される電力をもとに走行する第３のモードに切り替える制御を行う、
   請求項３〜５の何れか一項に記載の電源車。
7. 前記電車線路とは異なる第２の電車線路から集電するための第２の集電器を有し、直流電力を前記直流電力ラインに供給するか否かを前記制御部により制御可能な第３の電源システム、
   を更に備え、
   前記制御部は、更に、前記第３の電源システムによる前記直流電力ラインへの直流電力の供給を制御することで、前記第３の電源システムから供給される電力をもとに走行する第３のモードに切り替える制御を行う、
   請求項４に記載の電源車。
8. 前記制御部は、
   前記第１のモードから前記第３のモードへの切り替えの際に、一時的に前記第２のモードへ切り替えた後に前記第３のモードへ切り替える制御を行い、
   前記第３のモードから前記第１のモードへの切り替えの際に、一時的に前記第２のモードへ切り替えた後に前記第１のモードへ切り替える制御を行う、
   請求項６又は７に記載の電源車。
9. 請求項３〜８の何れか一項に記載の電源車において、
   前記制御部は、前記主開閉装置が投入され、前記第１開閉装置、前記第２開閉装置及び前記第３開閉装置が開放された状態の前記第１のモードから、前記第２のモードに切り替える場合に、
   前記第２開閉装置を投入し、前記電車線路の電圧が前記第２の電源システムの供給電圧より低い場合に、前記電圧変換回路を前記第２の電源システムの供給電力に基づいて均圧制御すること、
   前記第３開閉装置を投入し、前記一次側の電圧が前記電車線路の電圧となるように均圧制御すること、
   前記集電器を非集電状態に遷移させる、或いは、前記集電器の集電電力の前記引通し線への供給を遮断する制御を行うこと、
   前記電圧変換回路を前記第２の電源システムの供給電力に基づいて均圧制御すること、
   前記第１開閉装置を投入すること、
   前記電圧変換回路の動作停止と、前記第２開閉装置及び／又は前記第３開閉装置の開放とを行うこと、
   の順に実行制御する、
   電源車。
10. 請求項３〜９の何れか一項に記載の電源車において、
    前記制御部は、前記主開閉装置及び前記第１開閉装置が投入され、前記第２開閉装置及び／又は前記第３開閉装置が開放された状態の前記第２のモードから、前記第１のモードに切り替える場合に、
    前記第２開閉装置及び前記第３開閉装置を投入した状態とした後、前記電圧変換回路を前記第２の電源システムの供給電力に基づいて均圧制御すること、
    前記第１開閉装置を開放すること、
    前記一次側の電圧が前記電車線路の電圧となるように均圧制御すること、
    前記集電器を集電状態に遷移させる、或いは、前記集電器の集電電力の前記引通し線への供給を開始させる制御を行うこと、
    前記電圧変換回路の動作停止と、前記第２開閉装置及び／又は前記第３開閉装置の開放とを行うこと、
    の順に実行制御する、
    電源車。
11. 請求項２〜１０の何れか一項に記載の電源車と、編成車両とを連結して前記電源車から前記編成車両へ電力を供給するための前記編成車両に設けられた編成車両用電気連結回路であって、
    前記編成車両は、主電動機と、当該編成車両に設けられた集電器による電車線路からの集電電力に基づき前記主電動機を駆動する主変換回路と、を備えており、
    一端側が、編成車両連結端子に接続され、他端側が、前記編成車両の前記主変換回路への電力入力側に接続された編成車両連結用第１接触器と、
    抵抗器及び編成車両連結用第２接触器の直列回路であって、一端側が、前記編成車両連結用第１接触器の一端側及び前記編成車両連結端子に接続され、他端側が、接地線に接続された直列回路と、
    を備えた編成車両用電気連結回路。
12. 請求項１１に記載の編成車両用電気連結回路を備えた編成車両。
13. 請求項１に記載の電源車用電気連結回路と、請求項１１に記載の編成車両用電気連結回路とを連結する際の制御方法であって、
    前記電源車連結端子と前記編成車両連結端子との連結を行う連結工程の前に、前記電源車連結用第１接触器及び前記編成車両連結用第１接触器を開放とし、前記電源車連結用第２接触器及び前記編成車両連結用第２接触器を投入とする連結前ステップと、
    前記連結工程の後に、前記電源車連結用第２接触器及び前記編成車両連結用第２接触器の開放を行った後に、前記編成車両連結用第１接触器の投入を行う導通前ステップと、
    前記導通前ステップの後に、前記電源車連結用第１接触器の投入を行う導通ステップと、
    を含む制御方法。
14. 請求項１に記載の電源車用電気連結回路と、請求項１１に記載の編成車両用電気連結回路との連結を解放する際の制御方法であって、
    前記電源車連結端子と前記編成車両連結端子との連結の解放を行う連結解放工程の前に、
    前記編成車両連結用第１接触器の開放を行った後に、前記電源車連結用第１接触器の開放を行う導通遮断ステップと、
    前記導通遮断ステップの後に、前記電源車連結用第２接触器及び前記編成車両連結用第２接触器の投入を行う接地接続ステップと、
    を行う制御方法。

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